雷达流量计（RG-30）在渠道站中的应用

摘 要：为探索雷达流量计在鉴江流域流量测验中的应用条件和应用范围，在鉴江流域上游曹江大拜水文站使用雷达流量计与常规测流方法进行比测率定。根据大拜水文站测验条件，本文主要讨论在渠道断面条件下，雷达流量计的应用及比测效果，旨在为雷达流量计在渠道的流量测验提供参考。

关键词：雷达流量计；率定；渠道；曹江

中图分类号：TV 21" " 文献标志码：A

随着现代化建设不断推进，流量测验断面越来越多，但水文职工的数量并没有增加，使流量在线监测需求逐渐增大，一些学者对流量自动监测进行了研究，徐立[1]研究了测扫雷达在黄尾河水文站的应用，有效提高了测站自动化水平。孙正熙[2]在高州水文站进行了H-ADCP比测，有效解决了受水利工程影响的流量自动监测问题。牛萌萌[3]在超声波时差法的引用中进行了误差矫正，有效提升了测验精度。庄小冰[4]将引用在海洋中的深层析运用到河道中，实现了流量、流速、温度的实时监控，传统的流量在线监测，例如ADCP法、时差法、测扫雷达等受断面因素、河道特征、泥沙情况、成本较高等影响，覆盖难度较大，而雷达流量计具有成本低、测流历时短、不接触水体、不扰动流产等优点，虽然受表面流速脉动的影响较大，但在渠道站这种水流集中断面具有明显的应用优势。

1 雷达流量计工作原理和技术指标

雷达流量计的工作原理与电波流速仪类似，采用多普勒频移测量的方式来确定待测点的速度，其传感器探头既是发射器又是接收器。本次率定分析采用奥地利Sommer公司生产的型号为RG30-T的测速探头。RG30-T的外壳是由防水材料构成并自带防雷装置，确保探头可以在不同天气条件下正常工作。该测流系统受频率和波长的限制，最小波长为3mm，流速测量范围为0.3m/s～15m/s，流速测量距离为0.5m～35m，流速的测量精度为±0.02m/s或读数的1%，流速分辨率为1mm/s。

在测速过程中，雷达探头发射某一固定频率的超声波，该超声波经水体反射被雷达探头接收。假设雷达探头测验出的水面起伏可以代表附近区域表面水体的流速，当水体的移动方向靠近雷达探头时，其接收到的回波频率会高于发射时的频率；当水体的移动方向远离雷达探头时，其接收到的回波频率会低于发射时的频率，通过计算超声波发射时和接收时的频率差得到频移数值[5]。

本文采用指标流速法的方式开展流速率定，通过建立雷达流量计测量流速与断面平均流速的关系实现流速自动监测，结合断面测量成果完成流量计算。实际应用中根据断面的具体情况可采用单点直接推求或多点加权平均推求。本次率定分析所在断面为发电渠道，断面稳定形状规则，采用单点流速进行流量推求。

2 比测试验概况

2.1 大拜站概况

曹江是鉴江一级支流，发源于高州马贵鸡笼头兰逢岭，在高州的帅堂以下5km六罗合叉口汇入鉴江。全长100km，流域面积874km2，总落差870m，平均坡降2.76‰。流域内多年平均降水量2105mm，1960年中游兴建石骨水库（高州水库的组成库），控制集雨面积509km2，占流域面积的58.0%，总库容5.12亿m3，本次比测选择曹江上游大拜水文站开展雷达流量计比测率定。

曹江属亚热带季风气候区，年降水量较多，汛期为4—10月，每年降雨多集中在汛期，约占全年降水量的85%。降雨主要分为峰面雨和台风雨，因此降水有明显的前后汛期之分，前汛期（4—6月）主要是西南低空急流暴雨和锋面雨，后汛期（7—10月）的降雨以台风雨为主。

大拜水文站是高州水库进库站，属于二类精度的水文站，集水面积394km2。大拜（渠道）站为大拜水文站流量测验辅助站点，用于推算枯水期曹江流量，建立于1972年1月，在基本水尺断面水位下游232m处，当基本水尺断面水位低于96.26m时，水流无法经过基本断面下游拦河坝，在渠道站进行测流，受上游闸门开关和下游大拜电站蓄放水的影响。通过分析2005—2023年的资料，渠道引水流量基本在0.00m3/s（渠干）～23.0m3/s，实测最大流量29.4m3/s（2016年），最小流量0.50m3/s（2014年），最大流速1.99m/s（2016年），最小流速0.16m/s（2014年）。

在经过多年的测验摸索后，大拜（渠道）站最终确立以功率-流量关系线法推求渠道流量，但由于渠道上游闸门改建，电站发电情况复杂，人员变动导致发电功率记录不清晰，水位流量关系混乱，需要耗费大量人力物力开展流量测验，为有效解决流量测验困难，经比较分析，考虑大拜（渠道）站测流条件，引入雷达流量计进行流量自动监测。

2.2 率定断面基本情况

大拜（渠道）站断面为大拜站低水辅助测流断面，为推求枯水期高州水库入库流量所建。大拜渠道为人工开凿发电所用，全断面均为混凝土浇筑而成，测验断面顺直规整，下游约1km为大拜电站，在枯水期也具有较大流速。水位台设在左岸，设有流速仪测流断面，水流与断面垂直，断面稳定形状呈“口”型。

2.3 安装位置选择

通过非接触式雷达测量的具有较好代表性的局部流速（即指标流速）与断面平均流速建立相关关系，一般根据现场环境和水流特性采用单点法或多点法进行代表线在线监测，大拜（渠道）站为人工渠道，水流相对集中、无回水、紊流等情况，水文条件良好，综合考虑现场条件和成本，采用单点法进行流量在线监测。

经过流速横向分布分析，结合大拜（渠道）站实际地形、流态等情况，雷达流量监测系统安装在流速仪测流断面起点距3m位置（如图1所示），该处流态稳定，无回流干扰，流速具有较好的代表性；配套设备安装在缆道房内，通过有线传输，确保信号顺畅。

2.4 参数设置

雷达流量计面向上游与垂直方向夹角为58°，每5min采集1次数据，每个数据采集4s，共采集8次数据，指标流速由每次采集数据的平均值得到，采集终端会记录指标流速和其对应的回波强度，通过GPRS天线传输回数据平台。

3 率定分析

3.1 试验方法

大拜（渠道）站常规流量测验在上游测桥拖拽走航式ADCP和流速仪实测流量，严格执行相关规范要求[6]。当河道流量相对稳定时，对2个测回断面流量进行测量，往返各2次，取其均值作为实测流量值，流量短时间内变化较大时或特殊情况可以适当减少测回，以减小流态脉动引起的流量误差，当半个测回流量值与平均值的偏差小于或等于5%认为测验合理，反之则根据水情变化情况和测验过程进行分析。

水位采用传统的浮子式水位计，浮子水位计安装在自计井中，通过沉沙井与河道相连，井内水位平稳，可以有效代表基本水尺断面水位。

流速仪法和走航式ADCP法采用实测断面，雷达流量计测流系统借用最新实测断面。实测流量计算的断面平均流速V平均与雷达流量计同步测出的指标流速V指标建立相关关系；由于雷达流量计每5min计算1次流速，为确保2组数据的一致性，在系统中选择相同开始结束时间的指标流速平均，如果实测流量开始（结束）时间不是整5min，就选择最近的整5min作为开始（结束）时间，如公式（1）所示。

（1）

式中：V指标为选择时段内雷达流量同步测出的指标流速；n为选择时段内的采样次数；Vi为雷达流量计选择时段内的单次采样数据。

3.2 率定数据对比分析

在大拜（渠道）站共收集分析30份率定资料，覆盖渠道高、中、低水，流速见表1。在基下232m渠道测流断面采用雷达测速仪得到指标流速，用流速仪和走航式ADCP施测计算断面平均流速。

其中，第16、20、22、23测次流速超过历年最大流速，查阅实测资料，4个测次对应的基本断面水位均超过96.26m，这4个测次应在基本断面测流，由于增加流速数据的跨度能提高率定的准确性，因此保留这几个测次的率定数据。此外，当电站关闸蓄水和闸门检修时，渠道流速不足0.3m/s，低于仪器测量范围，以最小功率机组发电时的流速为0.5m/s～0.6m/s，无法测得与历年最低流速相近的数据。

3.3 关系率定

回归分析法是统计学中用于分析相互独立两要素间相关关系的方法，是水文统计中常用到的一种数学方法，回归系数越接近1代表两要素的关系越紧密，通过回归分析可以直观看出两要素的相关关系。

通过多次测量构建非接触式雷达实测V指标与常规测验实测流速V平均的相关关系，通过回归方程得到线上理论流速V线，根据《水文资料整编规范》和《声学多普勒流量测验规范》要求对V指标～V平均～V线关系进行三线检验，如果系统误差、随机不确定度、符号检验、适线检验、偏离度检验这些统计量均满足相应精度水文站的规范要求，就认为流速率定合格，如果有某一个或多个统计量超过规范要求，就认为流速率定不合格。

雷达流量监测系统安装后，总共收集了30份实测资料，实测流量变幅为10.8m3/s～32.2m3/s，流速变幅为0.74m/s～

2.66m/s，基本覆盖渠道流量变幅。采用电脑EXCEL自动定线率定出V指标～V平均关系曲线，关系式如公式（2）所示。

V平均=0.968V指标+0.167 （2）

如图2所示，V指标～V平均关系曲线率定点子在高、中、低水分布均匀，线性关系良好。

对雷达流量监测系统率定的V指标～V平均关系曲线进行符号、适线和偏离数值3个检验分析，分别如公式（3）～公式（5）所示。

（3）

式中：n为测点总数；k为正号或负号个数。

（4）

式中：n为测点总数；k为变换符号次数。

（5）

式中：为平均相对偏离值；n为测点总数；pi为测点与关系曲线的相对偏离值。

三线检验成果见表2。

本次雷达流量监测系统率定，V指标～V平均率定关系能通过三线检验，认为定线正确。随机误差为9.2％，小于或等于15％，系统误差为0.6％，小于或等于±1％，根据声学多普勒流量测验规范，满足二类站的比测率定精度要求，经

V指标～V平均关系线推算流量与实测流量并进行相对误差计算，合格率见表3。

由图2、表3可知，V指标～V平均关系点子分布集中，测验精度较高，相对误差较小，具有明显的变化规律。综上分析，认为流速关系线满足率定要求。

4 结语

通过比测大拜（渠道）站雷达流量计的代断关系，在各流速级具有较好的相关关系，经过多年的运行故障率较低，数据完整性较好，能有效完成该站监测流量的设站任务，满足资料整编的要求，该系统为实现该站流量自动监测具有重要意义。

从测验精度角度来看，雷达流量计V指标～V平均关系线能通过符号、适线和偏离数值检验，指标流速和断面平均流速测点标准差为3.9％，随机误差为7.8％，系统误差为0.1％，满足比测要求，可以投产使用。

雷达流量计具有安装简便、日常运行成本低、维护少，快捷、实时等优点，对外界抗干扰能力强，在水流相对集中的渠道站中有较好的适用性，但在使用前需要查清流速横向分布特点，寻找合适的安装位置，以提高测验数据的代表性。

非接触式雷达流量监测系统具有安装简便、日常运行成本低、维护少、快捷、实时等优点，为流域水文特性收集、地方防汛减灾、全流域流量数据自动监测全覆盖提供解决思路，有效解决了受水利工程影响、发电功率记录不齐全、断面无水位流量稳定关系的难题，利用在线测流系统可减少水文职工工作量，有更多的人力、物力继续推进水文现代化建设。

参考文献

[1]徐立.黄尾河水文站侧扫雷达在线流量比测率定分析[J].陕西水利，2023（12）：29-31.

[2]孙正熙.H-ADCP在高州水文站的应用[J].珠江水运，2019（2）：85-86.

[3]牛萌萌，杨昊.时差法超声波流量计在大型渠道水文测量中的应用[J].浙江水利水电学院学报，2024，36（2）：63-66.

[4]庄小冰.基于高频声层析技术的河流通量实时监测研究[D].厦门：厦门大学，2019.

[5]杨鲁斌.坦塘水文站非接触式雷达测速仪率定分析[J].广东水利电力职业技术学院学报，2023，21（3）：12-15.

[6]中国水利学会.声学多普勒流量测验规范：T/CHES61-2021[S].北京：中国标准出版社，2022：9.