攀枝花水文站移动式智能雷达测流系统应用

陈细润 石永恩

摘要：为研究攀枝花水文站移动式智能雷达测流系统（以下简称“雷达测流系统”）与传统测流方法之间的关系，利用攀枝花站水文缆道流速仪法与雷达测流系统同步比测流量，分析两种仪器在不同水位级下的流量关系。结果表明：水位994.00 m以上的流量比测成果符合相关规范要求，可应用于攀枝花站高洪流量在线监测；994.00 m以下的流量比测成果随机不确定度偏大，不符合要求。在水位变化较大时，传统测流时间较长，影响单次流量测验精度，而雷达测流系统具有测流时间短、非接触式、全自动运行、易维护、安全等优势，能弥补传统测验方法的缺陷。研究成果可为攀枝花站高洪流量测验提供新的测验方法。

关键词：

移动式智能雷达测流系统； 非接触式； 流量在线监测； 攀枝花水文站

中图法分类号：P335

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.018

文章编号：1006-0081（2023）S1-0061-04

0 引 言

攀枝花水文站是雅砻江汇入金沙江前的重要控制站。受上游11 km处金沙水电站蓄放水影响，攀枝花站水位涨落较大。传统测流方法耗费时间长，水位变幅大，影响单次流量测验精度，从而影响水位流量整编定线与相应流量报汛精度。

该站安装的移动式智能雷达测流系统（以下简称“雷达测流系统”）具有测流时间短等优势，能在短时间内完成流量测验，弥补传统测验时间长导致流量精度不高的缺陷。本文利用水文缆道流速仪法与雷达测流系统比测流量，建立两者之间的关系，确定相关系数，通过雷达流量换算流速仪测量流量，提高在水位变化较大时流量测验的精度，为国家防汛抗旱及水资源监督管理提供更加科学、准确的基础数据。

1 雷达测流系统

1.1 测流原理

测流系统由雷达小车、控制单元、供电单元、运行缆道和平台软件等5个部分构成［1］。雷达小车下的电波流速仪采用多普勒效应原理测流体表面流速。当雷达波与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有所改变，这种频率变化称为频移，即多普勒效应。当雷达流速仪与水体以相对速度发生相对运动时，雷达流速仪所收到的电磁波频率与雷达自身所发出的电磁波频率有所不同，此频率差称为多普勒频移。通过雷达发射固定频率的电磁波与接收被测流体表面反射回来的电磁波两者之间的频率差，经过相关计算得到流体表面的流速［2］，进而计算断面流量。

1.2 工作方式

攀枝花水文站安装的雷达测流系统，是一种新型的水面流速监测产品，利用两根水平架设的钢绳作为雷达小车运行导轨，通过控制单元将用户设定的测流参数（如垂线起点距、测流时间等）和测流指令经无线电台发送至雷达小车。雷达小车收到指令后，按照指令要求依次运行到各测流垂线位置，启动雷达流速仪进行流速测量，并及时将流速数据通过无线电台发送给系统控制单元。控制单元同时采集水位数据，完成流量计算，并将流量数据通过4G（GPRS）网络发送至服务器平台软件，从而实现断面无人值守自动测流［2］。测流完成后，装载雷达流速仪的小车自动返回仪器室内充电，等待下次测量。

2 流量比测

2.1 比测站点介绍

攀枝花水文站位于四川省攀枝花市东区大渡口，测流断面位于金沙江弯道顺直段，顺直长约1 400 m，断面呈“U”形（图1），左深右浅，两岸为乱石组成，河床为乱石夹沙，断面变化甚微。河床高、中、低水位控制良好，水位流量关系线多年为单一线，中高水位年际间有一定摆动（图2）。

2.2 比测方法及要求

比测断面为攀枝花水文站测流断面，比测仪器采用雷达测流系统和LS25-3A转子式流速仪。水位采用攀枝花站自记水位，雷达测流系统已接入攀枝花站自记水位仪，方便读取与计算流量。

雷达测流系统采用远程控制的方法进行比测。雷达测流系统共有3种测流方式，攀枝花站根据不同模式设置相应的参数，共有3种：① 根据水位涨落触发加测，攀枝花站设置水位涨落±0.30 m触发加测；② 定时测量，每天最多测量12组数据，设置偶数整点时间测流，每天至少收集12次雷达流量；③ 远程控制，登录网页即可控制雷达流速仪测流。

雷达测流系统采用流速仪常测法相同的测速垂线，每条垂线测速时长为60 s，进行同步比测，比测时间为2021年7月至2022年6月。根据GB 50179-2015《河流流量测验规范》中第4.1.2条規定，在高、中、低不同水位（或流量）级下均匀分布比测测次，比测有效次数不应少于30次。

3 成果分析

3.1 原始资料分析

分析流速仪流量，测验过程及成果符合相关规范要求，做好“四随”（随测、随算、随整理、随分析）工作，并分析雷达流量数据，实测流量6 159次，剔除仪器故障及突出反常测次，不计入比测成果中。

由于雷达测流系统完成一次流量测验仅需15～21 min，流速仪施测一次流量需要40～60 min，相当于雷达测流系统施测2～4次流量，因此采用雷达多次流量的平均值与流速仪法流量进行对比分析。通过分析比测的原始数据，有效比测34次，达到了在高、中、低不同水位（或流量）级下均匀分布比测测次要求。

3.2 关系分析

雷达流速仪距离水面越远，测速越不稳定，攀枝花站雷达流速仪在中低水位时距离水面约10～18 m，中低水流速数据不够稳定，根据攀枝花站水位级划分，分别建立雷达流量与转子式流速仪流量高水关系和中低枯水位关系。攀枝花站水位级划分见表1。

根据同步比测流量，以转子式流速仪实测流量为纵坐标、雷达测流系统同步施测流量为横坐标，以水位994.00 m为界，分别建立中低枯水和高水线性关系。通过数据分析，当水位低于994.00 m时，关系式为Q流=0.822 1Q雷，线性关系见图3。当水位高于994.00 m时，关系式为Q流=0.943 3Q雷，线性关系见图4。

3.3 关系检验

根据比测建立的相关关系，用率定后的雷达流量与转子式流速仪流量进行检验。按照GB 50179-2015《河流流量测验规范》要求，在测站正式投入使用前，将流速仪与各方法所使用的仪器进行比测，使其符合以下条件：比测随机不确定度不应超过6%，比测条件较差的不应超过7%；系统误差不应超过±1%，条件较差的不应超过±2%。经检验计算，中低枯水随机不确定度为12.8%，系统误差为0.48%；高水随机不确定度为6.4%，系统误差为0.81%。可知在水位994.00 m以上比测的高水流量符合规范要求，中低枯水随机不确定度偏大，不符合比测要求，检验成果详见表2。

4 结 论

（1） 通过比测分析，雷达测流系统实测流量与转子式流速仪实测流量高水相关关系较好，比测随机不确定度为6.4%，系统误差为0.81%，符合《河流流量测验规范》要求。但比测样本较少，可继续加强比测。建议高水使用率定系数0.943 3，通过雷达流量换算为转子式流速仪流量，以应对攀枝花站突发高洪时的流量监测。需评估每年高水检验系数是否稳定，如有变化，需重新比测率定系数。中低枯水受下游电站施工影响，比测结果不理想，随机不确定度偏大，不符合要求，可分段继续加强比测。

（2） 水位变化较大时，雷达测流系统施测的流量与流速仪实测的流量差异较大。由于雷达测流系统测速受外界条件干扰，建议在比测过程中尽量避开强风、强雷电、水位涨落大等情况。

参考文献：

［1］ 黄振宇，罗毅，瞿靛.双轨式雷达波自动测流系统在横江水文站的应用［J］.珠江水运，2022，553（9）：15-17.

［2］ 苏楚雄.博白水文站双轨全自动雷达波在线测流系统比测分析［J］.广西水利水电，2020，193（1）：61-64，68.