非接触式雷达波测流技术在大路铺水文站的应用

吕清华

(湖南水利水电职业技术学院，长沙 410131)

水文测验是水文工作的一个重要组成部分,是国家一项重要的基础工作,在水利规划、水工程建设管理、防汛抗旱、水资源管理与保护工作中都发挥了重要作用。水文测验的核心内容是监测与分析评价水资源的质量状况及其变化规律,为国家和各级政府开发利用、管理与保护水资源提供科学依据[1-6]。河道流量测验是水文测验核心工作，当前河道流量测验的方式主要采用接触式测流，这种测流方式需结合常规缆道或测船进行流量测验，测验时间长、劳动强度大、工作效率低、安全隐患多，且存在流量测验不及时、测验精度受人为影响等问题。尤其主汛期的山溪型河流，洪水涨落率快，高洪过程短，且此时河道流量大，冲刷物和漂浮物多，如果面对较宽的河道断面，传统测验即使采用1点法仍有漏测洪峰的可能，使得水文测验的效率和精度时常无法达到标准要求。为解决流量测量信息采集、传输和处理自动化，提高水文信息采集与处理的时效性[7]、准确性。各地水文站网现有测报设施设备加快了更新改造步伐，推广和应用先进仪器设备，非接触式测流方式随着通信及传感器技术的迅猛发展应运而生[8]。它主要是采用发射雷达波的方式，利用多普勒效应来进行河流表面流速测量的方法。因此，本文以湖南省大路铺水文站非接触式雷达波测流实验为例，进行比测分析研究，并对未来测流技术的发展进行展望。

1 基本情况

江华大路铺站位于湖南省永州市江华县大路铺镇老村村，E111°32′，N25°02′，集水面积612 km2，1959年1月设立，测验项目有降水、水位、流量、蒸发，辖春头源、草岭、涛圩、白芒营、岩口铺5个委托雨量站。该站属区域控制水文站和流量测验精度二类水文站。基本水尺断面在站房上游80 m处，测流断面与基本水尺断面重合，测验河道顺直段长约300 m，河床系岩石、砂石组成，断面较稳定，无回流、分流、漫滩现象，上下游为弯道，下游河床为岩石，下游45 m处的人工控制坝及下游河道的岩石对测验断面起良好的控制作用，枯水期水边长有少量青苔，洪水期则被冲走。河道左右两岸均为陡峭山坡，植被茂盛，河道左岸有一乡村公路。根据研究任务，选择该站作为非接触式在线测流系统实验站。

2 系统构成

系统设备主要由核心控制部分、雷达波悬吊仪器箱、视频监控部分、电源4部分组成，见图1，其中雷达波悬吊式仪器箱安装在支架上。本系统以系统主控器与嵌入式工控机为核心控制部件，以非接触方式测量固定代表垂线上水体的表面流速，结合现场的水位数据，利用断面资料，配套专业测流软件，实现断面流量的计算。

图1 雷达波在线测流系统设备构成图

为了测试不同品牌设备，该站同时接入S3、Hr、Rg30不同品牌的3路雷达波流速仪，在工控机的统一控制下，在固定测流垂线处，3路雷达流速仪轮流工作。雷达波控制器将流速仪测量的原始数据通过LoRa电台传回工控机，待所有垂线测量完成，运行在工控机上的测流软件对原始测流数据进行智能清洗，排除奇异数据后，再计算出流量成果。

3 测流原理及算法

3.1 雷达波测流原理

多普勒效应是奥地利物理学家多普勒发现的，它主要是指声波或电磁波在传播过程中，当发射源与反射体之间产生相对运动时，反射波频率将会发生变化，频率的这种变化称之为频移，即多普勒效应。非接触式雷达波测流就是利用多普勒效应对水流表面的流速进行探测的。也就是当雷达波信号发送到水流表面时，在水流非均匀表面就会发生反向散射，并使反射波产生多普勒频移[9-13]。通过雷达波探头接收这些反射波，通过分析计算发射波与接收波之间的频移差即可获得水流速度。这种测流方法与公路上雷达波测速的方法类似。

3.2 归一算法

非接触式雷达波测速流量计算采用与缆道或水文测船流速仪测验相同的计算方法，区别在于各测速垂线的垂线平均流速的获取不同。对于缆道或水文测船流速仪测验来说，根据规范可以采用一点法、二点法、三点法、五点法等不同的测验方案获得测速垂线上多个测点流速，并据此计算垂线平均流速(vmi)，对于非接触式雷达波测速测流方式来说，施测的流速则为各垂线位置的表面流速。

非接触式雷达波测速采用多普勒雷达测速原理(f=v/λ，其中f为频率，v为速度，λ为波长)，测速数据容易受强暴雨、大风沙等外界因素的影响，而且实测的是测速垂线表面流速(根据比测资料可换算成垂线平均流速)，因此有可能出现较大的误差。特别是对于流速<0.3 m/s的靠近岸边部分的测速垂线，由于流速偏小(达到了仪器设备的临界测量值)、回波强度弱等原因，导致测量数据误差会更大，甚至出现错误数据。

非接触式雷达波测流方法由于测流传感器不需要入水，近几年在山区性河道、中小河流、常规测站高洪测验中得到较大应用[5]。随着非接触式雷达波测流技术的推广应用，针对上述情况，迫切需要一种适合非接触式雷达波测流模式下的河道流量计算方法。

3.3 算法实现

针对上述非接触式雷达波测流应用面临的技术问题，为解决流量计算的难题，研究开发了一种河道流量计算方法：基于测流断面实测流量成果(垂线流速数据)，计算绘制测站垂线平均流速归一标准曲线及外包线，以此对非接触式雷达波测流测速成果数据(代表垂线表面流速数据)进行归一处理，从而完成非接触式雷达波测流方式下的流量计算。

本算法提供一种基于测流断面中泓垂线平均流速归一算法的河道流量计算方法，具体实现步骤如下：

3.3.1 收集测流断面测流成果原始资料

包括缆道测深、测速流记载及流量计算表，整理测速垂线的垂线平均流速横向分布成果表，要求相应水位涵盖高、中、低水，以中高水位为主，要求测流次数不少于25次。

3.3.2 归一标准曲线计算

1) 根据整理的测速垂线的垂线平均流速横向分布成果表及测流断面大断面资料，定位中泓位置测速垂线。

3) 根据样本资料计算测站垂线平均流速归一标准曲线：归一标准曲线各测速垂线对应数值采用全样本系列对应位置的算术平均值。

3.3.3 绘制平均流速横向分布图

根据测速垂线的垂线平均流速横向分布归一成果表，绘制样本系列归一后的垂线平均流速横向分布图，以及测站垂线平均流速归一标准曲线图。

3.3.4 确定归一标准曲线的外包线

1) 根据上述结果表，检查分析原始资料奇异特征点，对于同一测速垂线位置最大、最小值大于30%的测点进行奇异值分析(必要时舍弃)；舍弃后应重新计算归一标准曲线。

2) 根据上述结果表确定归一标准曲线的上包线、下包线。

3.3.5 流速数据的归一化处理及数据自校正

非接触式雷达波测流方式测速垂线流速数据的归一化处理及数据自校正按照以下步骤方法进行。

1) 选择非接触式雷达波测流数据，对测速垂线进行归一化处理。

2) 将计算结果与归一化标准曲线进行比对，对超出外包线的数据进行纠正。

3) 流量计算：将通过归一标准曲线纠正后的垂线流速数据，结合测流断面大断面资料，重新进行流量计算。

3.3.6 计算机编程及对雷达波测流自动控制的反馈

将上述步骤进行计算机编程(以DLL形式供雷达波自动测流主控程序调用)，实现雷达波测流方式下的基于测流断面中泓垂线平均流速归一算法的河道流量计算。实际应用中，除构筑物固定安装雷达波测流方式外，双轨缆道牵引式代表垂线法、自驱式代表垂线法等雷达波测流方式均是从左岸边往右岸边或者从右岸边往左岸边往返移动进行，一次测流过程完成后，调用本专利技术计算程序模块，计算出本次自动测流的最终流量成果，并完成最终的自动测流过程。

3.3.7 新建测站归一化标准曲线的确定

1) 对于新建测站，由于缺少测流成果原始资料，可采用缆道或水文测船流速仪、走航ADCP(多普勒剖面流速仪)等方法，应急完成3～5次流量测验，整理测速垂线的垂线平均流速横向分布成果表(作为初步资料临时使用，后续根据水位分级逐步完善)。

2) 根据测站类型(一类精度站、二类精度站、三类精度站)确定归一标准曲线的外包线；一类精度站、二类精度站、三类精度站的外包线默认值分别为±8%、±12%和±15%，对于测站控制条件较差、点据散乱的测站可适当放宽。

3) 待逐步积累测流成果原始资料后，按照前述步骤进行归一化标准曲线及外包线的确定。

该算法有益之处在于：提供了一种基于测流断面中泓垂线平均流速归一标准曲线及外包线进行河道流量计算的方法；该方法能够有效排除因暴雨、突发风沙影响导致的流速测验奇异值。此外，对于岸边测速垂线流速偏小、回波强度弱等状况导致的流量成果与标准值出现跳变的情况，也能起到较好的修复效果。

4 比测成果分析

4.1 大路铺水文站比测情况

根据《水文巡测规范》(SL 195-2015)和《水文资料整编规范》(SL 247-2012)中对测流测次要求，大路铺水文站于2020年4月开始比测工作。2020年缆道流速仪实测流量资料共30次，摘录雷达波测流系统测流资料共50次[14-15]。样本系列中，流速仪实测最高水位48.52 m，实测最低水位47.01 m；实测最大流量250.2 m3/s，最小流量2.6 m3/s。雷达波在线监测系统获得的最高水位为48.52 m、获得的最低水位为47.01 m、获得的最大流量为249 m3/s，获得的最小流量为2.3 m3/s。

大路铺水文站为山溪性小河，涨落率大，测流时，存在缆道流速仪测流时间同雷达波测流时间(3个探头RG30、HR、S3)难以同步问题，导致了其测流时的水位、面积不同，造成较多的流量误差问题。为了解决该问题，大路铺站不是进行同水位(因水位不同)流量间分析，而是采用线与线间进行分析，即流速仪实测水位流量关系线同雷达波施测水位指标流量关系线进行分析。

4.1.1 缆道流速仪实测流量分析

根据实测的30次缆道流速仪流量资料，对水位流量关系进行率定，并进行了三线检验(表1)，其系统误差为0.7%，标准差为±4.8%，误差满足规范要求。

表1 大路铺站流速仪测流水位-流量关系曲线检验计算表

4.1.2 雷达波在线测流系统资料分析

根据实测的50次雷达波在线测流系统指标流量资料，分别建立3个探头(RG30、HR、S3)的指标流量与相应水位的相关关系。从分析图可以看出，探头(RG30)的指标流量与相应水位的线性相关关系最好，见图2。

图2 大路铺水文站水位、指标流量(RG30)关系图

4.1.3 雷达波在线测流系统相应水位、指标流量率定分析

根据实测的50次雷达波在线测流系统指标流量(探头RG30)资料，对水位流量关系进行率定，其中32次流量误差较大。经过分析，本次流量舍弃，并进行三线检验(表2)，其系统误差为-0.3%，标准差为±4.9%，误差满足规范要求。

表2 大路铺站非接触式雷达波测流水位-流量关系曲线检验计算表

4.2 雷达波在线测流系统系数分析

根据率定的水位、流量关系曲线，统计相同水位下的雷达波指标流量与缆道流速仪流量，分别计算出不同水位下的Ki系数，并点绘相应水位与雷达波系数Ki关系曲线图。根据点绘的大路铺站水位-雷达波系数关系图，查出各级水位下的雷达波系数，对水位-雷达波系数进行率定，并进行三线检验(表3)，其系统误差为-0.5%，标准差为±3.4%，误差满足规范要求。

表3 大路铺站水位-雷达波关系曲线检验计算表

5 结 论

综合上述分析，本文研究结论如下：

1) 非接触式雷达波测流系统的抗外界干扰能力强，系统观测时探头不与水接触，避免了水流紊动及水面漂浮物的影响；测流仪器配套部件安装牢固且电缆线做了防水处理，保障了仪器可以长期安全稳定运行，具有日常运行成本较低、安装起来简便、维护费用少、采集数据快捷、实时等优点。河道流量人工无法测验的问题得到有效解决，在野外恶劣观测环境下可以实现真正的无人值守。

2) 按照《水文资料整编规范》( SL 247-2012)，对大路铺水文站非接触式雷达波在线监测数据与缆道实测数据进行三线检验，其精度指标符合定线要求。

3) 利用系统对所获取的水位、流量等数据资料进行资料整编，提升了整编的质量和效率，最大程度减小资料录入的差错。