涝峪口水文站单轨全自动雷达波在线测流系统对比分析

靳 君

(西安水文水资源勘测中心，西安 710100)

1 基本情况

1.1 测站流域概况

涝峪口水文站处于黄河流域渭河水系涝河流域干流右岸，是涝河流域中游代表控制站，该站位于西安市扈邑区涝峪旅游管委会教场村谭庙组，E108°31′55″，N34°01′02″，属国家基本站点。水文站以上集水面积为347km2，距河口40km。从1944年4月设立至今已有76年多历史。测验河断基本顺直，区间无支流加入和流出，监测断面水面宽约为100m，断面形态呈“U”形。河床由大小卵石组成，冲淤变化不大，上游500m处河道弯曲，下游150m处河道弯曲并扩展。低水时左岸出现浅滩，主流偏右岸。属于不经常性冲淤断面。三个断面间距50m，基本水尺断面兼下比降断面，架设闭口式铅鱼缆道一座，基下3m处架设单轨全自动雷达波在线测流缆道一座。

涝峪口水文站测验项目有降雨、蒸发、墒情、水位、流量、泥沙。根据实测资料结果得出该站实测最大流量624m3/s(1987.8.3)，实测最小流量0.006m3/s，多年平均径流量1.087亿m3，多年平均降水量802.9mm。多年流量资料显示，水位流量关系曲线相对稳定。

1.2 单轨全自动雷达在线测流系统产品介绍

单轨全自动雷达波在线测流系统用在河道流速和流量在线监测，通过在测流断面上架设简易缆道，测流控制器控制雷达波测速行车的走航，完成固定垂线的水面流速测验，根据实测水位、借用大断面资料。完成断面流量的计算及传输。可根据设定时间自动完成测速垂线点流速测量，测量完成后自动进行计算；也可根据水位涨落幅度设定，当水位涨落幅度超过设定值时自动完成测速垂线点流速测量，测量完成后自动进行流量计算；可实现远程流速、流量的在线测量[1]。

雷达流速测量采用多普勒效应原理测流体表面流速。在声学领域中，当声源与接收体(即探头和反射体)之间有相对移动时，回声的频率将有所变化，这种频率的变化称之为频移，即多普勒效应。当雷达流速仪与水体以相对速度发生移动时，发出的和接收的电磁波频率产生电磁波频率差，也就是多普勒频移。通过计算频率差得到流体表面的流速。

系统组成由测站设备、服务器管理软件及中心水文站软件3部分构成。

1)测站设备：测站简易缆道、测流控制器、雷达流速传感器、自动行车、水位计、无线通信模块、太阳能供电系统、附属传感器。

2)服务器管理软件：服务器管理软件接收测站发来的全部信息，存入流量测验数据库。移动电脑可装服务器管理软件，通过互联网查看测站数据、远程启动测站测流、远程修改测站参数。

3)中心水文站软件：中心水文站人员通过互联网远程下载数据库中的测站数据，在计算机上分析处理，生成水文报表。

2 全自动雷达波在线测流系统比测资料的收集

2.1 资料选用

根据涝峪口水文站2017年-2018年实测流量和雷达流量计在线系统实测流量数据，筛选出同一时刻的流量数据37次，进行比测分析。

2.2 资料一致性分析

依据流速仪与雷达流量计同步比测资料，进行比测分析。

2.3 资料合理性检查

测流结束后检查测量记录，输入计算机计算，严格执行“四随”工序，比测资料计算正确无误，通过资料审查验收，精度较高。

3 全自动雷达波在线测流系数分析计算

根据《河流流量测验规范》(GB 50179-93)和《水文资料整编规范》等相应规范的有关技术要求，用流速仪法实测流量与雷达流量计法实测流量比值。依据《河流流量测验规范》GB50179-93第4.8.6条流速系数的确定应符合下列规定：畅流期水面流速系数应由多点法测速资料或其他加测水面流速的资料分析确定。

3.1 雷达流量计系数分析方法

3.1.1 均值法

用雷达流量计测到的水面流速代替垂线平均流速计算出虚流量，再与旋桨流速仪测出的流量相比较，计算出各测次的系数，再计算出系数平均值，即为所求雷达流量计系数，雷达流量计系数计算见表1。

计算公式如下：

(1)

(2)

分析计算结果见表1。

表1 涝峪口(三)站雷达流量计系数计算表

根据2017年—2018年37次比测资料，经分析计算雷达流量计系数为0.72。

3.1.2 回归方程法

依据2017年-2018年比测资料，采用回归方程法计算雷达流量计系数，回归方程为y=0.76x，相关系数为0.76，相关关系为0.98。其相关点据比较密集，分布成一带状。见图1。

3.1.3 雷达流量计系数的确定

通过对涝峪口站雷达流量计比测资料进行分析，分别采用均值法和回归方程法进行分析计算，均值法系数为0.73；回归方程法系数为0.76，两种分析方法结果相近，综合两种分析计算结果，雷达流量计系数确定为0.74。

3.2 全自动雷达波在线测流系数评定

3.2.1 相关曲线的三项检验

对建立的相关曲线进行三项检验，即符号检验、适线检验和偏离数值的合理性检验，符号检验显著性水平α选用0.25，适线检验显著性水平α选用0.10，偏离数值显著性水平α选用0.20。经计算相关曲线的标准差为9.15，随机不确定度为18.3，系统误差为2.2，检验结果满足中华人民国行业标准SL247-1999《水文资料整编规范》2.3-2.4要求。标准差计算见表2。

表2 涝峪口(三)站雷达流量计系数标准差计算表

续表2 涝峪口(三)站雷达流量计系数标准差计算表

3.2.2 全自动雷达波在线测流系数质量评定

涝峪口站雷达流量计系数确定为0.74，利用该站2017年-2018年比测资料进行合理性检验，检验结果基本满足规范要求。

最大误差16.45%，最小误差0.02%，误差<10%，合格率为70.0%。检验分析结果表明，雷达流量计性能比较稳定，操作方便，测量精度高，可以代替浮标法进行中高水流量测验。测验质量满足水文规范要求，该仪器可作为水文站的流量在线监测设备[2]。

采用系统误差和随机不确定度来进行误差评价，计算公式如下：

式中：Qi为雷达流量计虚流量；Qci为断面流量。

雷达流量计系数误差统计，见表3。

表3 涝峪口(三)站雷达流量计系数误差计算表

续表3 涝峪口(三)站雷达流量计系数误差计算表

根据《河流流量测验规范》GB50179-93第4.1.4条规定，二类精度站单次流量测验允许误差中高水位及总随机不确定度<12%，系统误差在1-2%内，本次分析比测成果均满足规范要求。

4 结 语

通过涝峪口水文站全自动雷达波在线测流系统与缆道流速仪测验相比，全自动雷达波在线测流系统具有不受大洪水水面、水内漂浮物、水质流态等影响，缩短测验历时、操作简单、连续性强、安全指数高等特点，它不但可以测出河流断面水面流速，而且可以通过软件处理，进行流量资料整编，可取得较高精度的流量成果，同时，其网络远程控制，设备电池连续工作时间常等功能的优点正是当前水文发展的新要求、新方向，解决偏远水文测站的落后测验方式，解放了劳动力；其定时测报、变幅加测等功能的灵活设置，让无人值守的水文测验模式成为可能，真正实现全自动监测[3]。