移动雷达波测流系统在张家坟水文站中的应用

段新光，褚 旭，许立燕，苏 赫

（1.北京市密云水库管理处，北京 101512；2.北京新敏兴业环境科技发展有限公司，北京 100043）

非接触式移动雷达波在线测流系统（以下简称雷达测流系统）已成为水文行业中一种广泛使用的新型自动化测流设备。非接触式雷达流量测流技术解决了在洪水水面复杂环境无法下水测流的问题，具有其他测流仪器无法比拟的优越性。其特点是非接触式，因此雷达测流系统整体建设简便，便于随时维护，少受水毁影响，不受污水腐蚀，保障人员安全，不仅可用于平时水文测验，而且特别适合承担汛期急难险重观测任务。

张家坟水文站建站时间较早，站内设上、中、下3个监测断面观测水位，洪水期测流主要利用高架浮标、测流缆道测流，枯水期主要是基本水尺断面测流堰施测。传统的自动化测流方法落后，滩地内树木影响缆道测流，以上因素直接影响到信息数据采集的实效性和准确性。“7·16”强降雨以及台风“安比”过境，暴露出张家坟水文站洪水测验自动化水平不高的现状。为了进一步做好密云水库水文工作，实现张家坟水文站流量自动化监测，2020 年对张家坟水文站测验河道进行了改造，加装雷达测流系统[1]。

1 水文站概况

张家坟水文站位于海河流域潮白河水系白河河道下游、密云水库入库口20 km 处，担负着密云水库入库水量的观测任务。河道具有山高、坡陡、沟深、流急的特点，比降较大，属山区暴雨洪水，断面以上流域面积为8 506 km2，是国家一类精度基本水文站，张家坟水文站流域如图1 所示。该站在1960 年6 月在青石岭坝下建站，站名为南对峪水文站，1967年5月下迁8 km 在张家坟村建站。该站两岸河坡陡峻，左岸为岩石，测流河段分主河槽及河滩，主河槽底高程约180.5 m、宽约80 m，右岸滩地高程约182.0 m。该站测流河段属砂卵石河床，间有细砂，除洪水期外，常年含沙量较小。该站实测最大流量为2 600 m3/s，发生在1998年7月6日，最高水位185.36 m[2]。

图1 张家坟水文站流域示意

2 雷达测流系统简介

移动雷达测流系统由测站设备、终端软件及监测中心站三部分组成，具体结构如图2所示。

图2 雷达测流系统结构

2.1 测站设备

张家坟水文站雷达测流系统由简易缆道、雷达表面流速仪、雷达运行车、行车架、吊箱、系统控制器、雷达测速控制器、在线充电箱、蓄电池、无线电台等组成。

2.2 终端软件

计算机与移动设备之间数据传输为GPRS，终端软件接收测站发来的测流信息，存入流量测验数据库。雷达测流系统内部为一个小型局域网，网络内数据传输由GPRS 完成，与外部数据的联接通过路由器实现。远程计算机通过路由器实现对本地设备的远程操作及实时监控，从而实现远程自动测流功能。用户可通过终端软件查看测站数据、远程启动测站测流、远程修改测站参数。

2.3 监测中心站

监测中心站人员通过互联网远程下载数据库中的测站数据，雷达测流系统建立多种数据模型，对采集数据按照有关水文测验规范、技术标准自动进行分析计算，生成水文报表，确保数据达到水文资料整编规范要求，实现各种上报数据自动计算、填写、保存等目标要求。同时，测量数据可以通过电子表格、数据库、文本等多种形式对外交互传输。

2.4 移动雷达波测流原理

雷达测流系统是采用非接触方式测验水道断面上若干条垂线的水面流速。该系统使用多普勒效应来测量水体表面流速，通过发射电磁波到目标物体上，并测量回波信号的频率与波源初始发出的信号频率之间的差异来实现。当被测目标和观察者之间发生相对运动时，回波信号的频率会发生变化，其变化量与目标物体与波源的相对速度有关。若目标物体与波源相向运动，则波长变短，频率增加；反之，若目标物体与波源背向运动，则波长变长，频率降低，如图3所示。非接触式移动雷达流量计利用这种原理监测河流表面流速，表面流速可由下式计算：

图3 移动雷达波测流原理

式中：v0为表面流速（m/s）；u为波速度（m/s）；f0为发射频率（Hz）；fd为多普勒频率（Hz）；θ为雷达探头电磁波与水面夹角（°）。

得到表面流速后，雷达测流系统通过指标流速法、对数法、幂函数等半理论半经验公式计算流量系数值，由水体表面流速得出断面水深平均流速，进而通过流速-面积法计算过流断面流量。

其流量计算方法与旋浆流速仪一样，即部分流速乘以部分面积得部分流量，n个部分流量之和即为断面流量。其计算公式如下：

式中：Qf为指标流量（m3/s）；qi为断面部分指标流量（m3/s）。

雷达测流系统所测指标流量需与人工实测流量率定流量系数，得到测流断面实测流量，用于替代流速仪法及浮标法，从而实现流量的自动化在线监测。其计算公式如下：

式中：Qc为断面实测流量（m3/s）；Qf为指标流量（m3/s）；K为流量系数。

3 流量数据比测率定分析

3.1 比测目的

通过人工实测流量与移动雷达波实测流量数据比测分析张家坟水文站流量情况，率定流量系数，进行误差分析评判，检验系统测流精度能否满足规范要求，建立稳定的水位-流量关系，解决张家坟水文站中、高流量测验问题，实现流量实时在线监测和数据自动计算。

3.2 选取资料

本次比测率定资料选取2021 年4—9 月张家坟水文站实测流量资料，为使雷达测流系统实测流量数据与张家坟水文站人工实测流量数据时间吻合，选取与张家坟水文站人工实测流量平均时间相对应的雷达测流系统实测流量。这里共收集17份实测流量，对其进行比测率定分析。流速仪实测流量（即人工实测流量）与雷达测流系统实测流量比测结果，详见表1。由表1 可知，张家坟水文站实测流量变幅为2.56～1 030 m3/s，比测期间本站流量测次分布均匀，能控制流量变化过程。

表1 流速仪实测流量与雷达测流系统实测流量比测结果

3.3 比测相关关系分析

相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标，按积差方法计算，同样以两变量与各自平均值的离差为基础，通过2 个离差相乘来反映两变量之间相关程度，一般可按三级划分：|r|<0.4 为低度线性相关；0.4≤|r|<0.7 为显著性相关；0.7≤|r|<1为高度线性相关[3]。其计算公式为：

式中：r为相关系数；n为序列长度；x为实测流量（m3/s）；y为指标流量（m3/s）。

以断面人工实测流量为纵坐标、移动雷达波实测流量为横坐标建立两者关系，如图4所示，并进行线性相关性分析。从图4 可以看出，R2=0.998 5，两者相关关系显著，且包含了高、中、低流量级。

图4 人工实测流量与移动雷达波实测流量相关关系

3.4 比测流量系数分析

利用采样标本对单次比测流量系数进行统计分析和算术平均值计算，结果详见表2。

表2 张家坟水文站移动雷达波流量系数统计

综合平均流量系数计算公式如下：

式中：Kf为综合平均流量系数；ki为第i单次流量系数；n为样本个数。

经计算，得Kf为0.99。以观测水位为横坐标、比测流量系数为纵坐标，绘制两者关系，并采用Kf=0.99过点群中心绘制相关线，如图5所示。从图5可以看出，水位与流量系数点距呈带状分布，相对于点群中心线略显散乱，其中偏离值在±5%以内的有8个，占样本总量的47%；在±10%以内的有14个，占样本总量的82%。通过计算分析，得流量系数直线方程为y=-1.479x+184.23。为了今后更好地使用雷达测流系统，还需要对流量系数进行进一步检验分析。

图5 水位-流量系数相关关系

4 比测数据及流量系数检验分析

4.1 误差分析

根据《水文巡测规范》（SL195-2015）和《河流流量测验规范》（GB50179-2015）要求，一类精度河道站系统误差允许在1%以内、随机不确定度允许在10%～12%以内，考虑到雷达测流系统测量值为水面流速，随机不确定度可增大2%～4%。张家坟水文站属一类精度河道站，根据人工实测流量与移动雷达波实测流量的相关关系式，计算出断面实测流量Qc，对17 个流量测点断面移动雷达波实测流量Qf与人工实测流量Q的误差进行合格率分析计算，结果如下：相对误差精度≤10%合格率达到82.4%，系统误差为0.95%，随机不确定度为13%，移动雷达波实测流量与人工实测流量的系统误差、随机不确定度均在限差范围内，且包含了年内汛期、非汛期不同水位级情况的监测结果，移动雷达波实测流量精度达到定线精度且满足相关规范要求。移动雷达波实测流量与人工实测流量误差分析统计，详见表3。

表3 移动雷达波实测流量与人工实测流量误差分析统计

4.2 三线检验分析

根据《水文资料整编规范》（SL/T247-2020）要求，规定临界值的大小与显著水平a有关。符号检验时，a值采用0.25；适线检验时，a值采用0.05 或0.10；偏离检验时，a值采用0.10[4]。临界值U1-a/2、U1-a的取值，详见表4。

表4 临界值U1-a/2、U1-a

取流量系数K=0.99，进行三线检验，结果如下：符号检验u=0.24，小于1.15；适线检验u=0.25，小于1.64；偏离检验t=0.63，小于1.75，所有结果均合理。 张家坟水文站Qf-Qi关系曲线检验计算结果，详见表5。

表5 张家坟水文站Qf-Qi关系曲线检验计算结果

为了充分证明雷达测流系统能够较好地适用于河流站点测流，本文利用本次比测率定结果，选取了实验数据进行论证。当水面系数采用0.99 时，水位与断面实测流量关系线拟合较好，与人工测流的流量比较接近，如图6所示。

图6 张家坟水文站水位-断面实测流量关系曲线

5 比测中需要注意的问题

在比测运行期间，雷达测流系统总体运行良好，但也存在一定的局限性。

（1）比测中发现在进行雷达流量计测流时，风力风向会对测流精度产生一定程度的影响。在测量水面流速时，若测流时水面有风，则顺风会导致水面流速增大，逆风会导致水面流速减小。

（2）该仪器流速测量范围为0.2～18 m/s 且为非接触式测流，故在低枯水期及结冰期，仪器不适用。

（3）在高洪期，水位变化过快，由于河道比较宽、测流历时长，雷达测流系统与流速仪施测时间及水位变幅不一致，导致计算流量差异较大的情况，需在流速仪施测前中后期进行雷达测流系统施测，取其平均值与流速仪流量进行比测。

（4）张家坟水文站雷达测流系统缆道跨度大，钢丝绳受温度影响随之较大，热胀冷缩显著。为保证系统正常运行，应根据温度变化及时调整钢丝绳垂度。

6 结论

通过对张家坟水文站流量数据比测率定分析，得出以下结论。

（1）比测流量两者相关关系显著，且包含了高、中、低流量级。

（2）水位与流量系数点距呈带状分布，直线方程为y=-1.479x+184.23，相对于点群中心线略显散乱，其中偏离值在±5%以内的有8 个，占样本总量的47%；在±10%以内的有14 个，占样本总量的82%；水位与断面实测流量关系线拟合较好，与人工测流的流量比较接近。

（3）对17个流量测点断面实测流量Qc与人工实测流量Q的误差进行合格率分析计算，雷达测流系统测量的水面流速经率定后推算的断面流量精度较高[5]，相对误差精度≤10%合格率达到82.4% ，系统误差为0.95%，随机不确定度为13%，水位-流量关系曲线定线精度符合《水文资料整编规范》（SL/T247-2020）要求。

综上，张家坟水文站雷达测流系统设计开发研制遵循中国水利电力出版社《水文测验使用手册》规定，测量精度达到水文行业部颁标准和规范要求，各项技术指标均符合《水文测量规范》（SL58-2014）和《水文缆道测验规范》（SL443-2009）要求。该系统是集测、报、整、算为一体的全自动远程测流系统，可以实现无人值守水文缆道远程测流的目标，降低了职工劳动强度，排除了职工劳动不安全隐患，提高了工作效率。该系统性能稳定可靠、操作简便，并能通过网络实现远程集中测流，可以为张家坟水文站实现水文现代化、自动化提供有效技术支撑。