雷達（RG—30）流量在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

朱治雄 謝永勇 高夏陽 高宇星

摘要：雷達（RG-30 ）流量在線監(jiān)測系統(tǒng)通過信息采集、計算機處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M技術(shù)，將傳統(tǒng)的人工監(jiān)測水文要素轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉?、計算、存儲、傳輸?shù)纫惑w化的自動監(jiān)測過程。與流速儀法進行的比測結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、適用范圍廣、自動化程度高等特點，符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定，可以推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測；流量監(jiān)測；雷達；西總水文站；青銅峽水庫

中圖分類號：TV213；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.003

1 概述

1.1 青銅峽西總水文站基本情況

青銅峽西總水文站由黃委于1960年1月設(shè)立，目的在于觀測河西總干渠水沙量變化，為青銅峽水庫調(diào)度運用及下游農(nóng)田灌溉提供用水依據(jù)，為下游提供水情和搜集基本水文資料。該站是河西總干渠的控制站，測流斷面上游825m處為青銅峽水庫。受上游電站1號、9號機組出水口影響，以及下游黃河1號退水閘、泰民渠閘門、西干渠閘門等建筑物的影響，測驗河段內(nèi)水流流態(tài)變化復(fù)雜，水位一流量、水位一流速關(guān)系測點分布較為散亂。長期以來，為切實掌握測驗河段的流量變化過程，青銅峽西總水文站進行了頻繁測流，不過仍很難滿足切實掌握流量變化過程的要求，流量測驗強度大成為該站工作的特點。目前該站采用的常規(guī)流量測驗方法為測船流速儀法和鉛魚纜道流速儀法。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，要求進行水資源精細化管理，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)水文測驗方式已很難滿足水文自動化、信息化等的要求。只有采用水文要素自動化監(jiān)測、信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)痊F(xiàn)代化手段，才能為水資源管理和社會經(jīng)濟的發(fā)展提供可靠保障。

1.2 應(yīng)用研究的依據(jù)及技術(shù)標準

水位比測依據(jù)《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）[1]的規(guī)定：比測時，可按水位變幅分幾個測段分別進行，每段比測次數(shù)應(yīng)在30次以上。比測結(jié)果應(yīng)符合以下規(guī)定：①一般水位站，置信水平95%的綜合不確定度應(yīng)為3cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1cm；②石英鐘走時誤差每日不應(yīng)超過±3min，

流量比測依據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》（GB50179-2015）[2]的規(guī)定：比測宜在水流相對平穩(wěn)時進行，并應(yīng)在高、中、低不同水位（或流量）級下均勻分布測次；比測有效次數(shù)不應(yīng)少于30次；比測隨機不確定度不應(yīng)超過6%，比測條件較差的不應(yīng)超過7%；系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過±1%，條件較差的不應(yīng)超過±2%。

2 雷達（RG-30）流量在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)原理

雷達（RG-30）流量在線監(jiān)測系統(tǒng)以面積一流速法為基礎(chǔ)，采用多個非接觸式雷達傳感器構(gòu)成流量在線監(jiān)測系統(tǒng)，當雷達波傳送到非均勻流表面時，非均勻流表面的反向散射會導(dǎo)致多普勒頻移的發(fā)生。雷達（RG-30 ）流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的采集器控制多個雷達傳感器同步采集水流表面的多普勒頻移，從而根據(jù)該頻移計算出河流表面流速，實現(xiàn)一點和多點河流表面流速監(jiān)測，這些數(shù)據(jù)經(jīng)率定后就可用于推算河流斷面平均流速以及河道實時流量。

2.2 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由水位信息采集、流速信息采集、風力風向信息采集、流量計算、數(shù)據(jù)處理、信息存儲/傳輸以及基于數(shù)據(jù)庫的在線查詢顯示系統(tǒng)組成，可以完成信息采集、計算、存儲、傳輸、數(shù)據(jù)召測、數(shù)據(jù)維護、數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)結(jié)合計算機處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)茸詣踊侄?，將常?guī)的水文要素人工監(jiān)測方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉?、計算、存儲、顯示、傳輸應(yīng)用的數(shù)字化、自動化過程。

系統(tǒng)主要包括雷達測速儀傳感器、雷達水位計傳感器、數(shù)據(jù)采集終端（RTU）、通信設(shè)備以及中心站管理軟件。按照位置區(qū)分，該系統(tǒng)包含以下工作站點：斷面測量點、青銅峽西總水文站接收控制點、鄭州數(shù)據(jù)監(jiān)控備份中心，見圖1。

2.3 斷面流量計算方法

雷達（RG-30）流量在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測各代表垂線的區(qū)域水面流速，通過測得的實時水位推算各代表垂線間面積，進而推求斷面流量，其計算公式為

Q=K∑Anvn （1）式中：n為測速垂線數(shù)；K為常數(shù)；An為測速垂線間的面積，通過實時水位與大斷面數(shù)據(jù)推算；υn為測速垂線間的平均流速。

3 應(yīng)用分析

3.1 代表垂線分析及采集器安裝位置確定

系統(tǒng)設(shè)備安裝在青銅峽西總水文站測流斷面，結(jié)合測流斷面地形、水流特性、水面流速分布、精度要求和設(shè)施條件等情況來確定代表垂線的位置。代表垂線的平均流速與斷面平均流速具有穩(wěn)定的關(guān)系。

通過繪制青銅峽西總水文站大斷面圖，分析得出起點距25.0～65.0m為該測流斷面主河槽，河床由卵石組成且較為穩(wěn)定。選取低、中、高水位具有代表性的流量級，通過實測流量資料繪制垂線水深及流速的橫向分布圖（見圖2），選取在測流斷面中泓處且斷面起點距分別為35.0、45.0、60.0m的3條垂線進行計算分析。

為了確定選取的3條垂線的流速具有較好的代表性，選取小、中、大流量下的32組實測流量資料對3條垂線平均流速與斷面平均流速間的關(guān)系進行統(tǒng)計分析，見圖3。

通過分析3條垂線的流速平均值與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系，可得

υc=0.9071×（υ35+υ45+υ60）/3-0.0279（R2=0.9946） （2）式中：υc為斷面平均流速，m/s；υ35、υ45、υ60分別為起點距35.0、45.0、60.0m處的垂線平均流速，m/s；R2為確定性系數(shù)。

通過以上綜合分析確定：在對應(yīng)斷面起點距35.0、45.0、60.0 m處3條垂線的平均流速在各級流速下與斷面平均流速均有著穩(wěn)定的關(guān)系，具有良好的代表性，確定將雷達流速采集器分別安裝在這3個位置上，水位采集器安裝在基本水尺斷面上投入使用。

3.2 比測數(shù)據(jù)成果

應(yīng)用研究期間取得的98組水位數(shù)據(jù)以及2015年46組、2016年32組實測流量資料作為分析樣本。研究期間實測最高水位為1138.48m（2015年7月17日），最低水位為1 135.40m（2015年9月3日）；實測最大流量為387m3/s（2015年6月10日），最小流量為1.76m3/s（2015年11月22日）；最大測點流速為1.86m/s （ 2015年6月10日），最小測點流速為0.04m/s；最高氣溫為35.8℃（2015年7月28日），最低氣溫為-19.8℃（2016年1月23日）；最大日降水量為107.9mm（2016年8月13日）；最大風力為9級，基本涵蓋了該站的各種測驗環(huán)境，資料具有較好的代表性。

3.3 水位測驗誤差分析

對人工直立式水尺與雷達水位計同步觀測的98組數(shù)據(jù)進行誤差分析（見表1），可知置信水平為95%時的綜合不確定度為2cm，系統(tǒng)誤差為0.2cm。石英鐘每天早上8：00與北京標準時間校對，共30次無誤差?？梢钥闯隼走_水位計水位觀測精度均符合《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）的規(guī)定。

3.4 流量測驗誤差分析

3.4.1 相關(guān)性分析

采用2015年度雷達（RG-30）在線流量監(jiān)測系統(tǒng)與鉛魚測流纜道在不同水位、不同時段、不同氣象條件下同步測得的46組流量成果作為分析資料，建立Q0（纜道測流結(jié)果）-Q1（雷達測流結(jié)果）的相關(guān)關(guān)系。從圖4以及誤差計算結(jié)果可以看出，確定性系數(shù)僅為0.9074，相對誤差超過10%的測次有7個（見表2），需對偏大原因進行分析。

3.4.2 誤差原因分析

從表2可以看出，比測試驗時7個測次的風力都在4級以上，由于雷達測速儀測的是水面流速，當風力在4級以上時水面較為紊亂，因此測驗誤差大。依據(jù)《河流流量測驗規(guī)范）（GB50179-2015）中4.1.2條的規(guī)定，這些數(shù)據(jù)在分析時應(yīng)予舍去。

在分析時發(fā)現(xiàn)45、46測次流速出現(xiàn)0值等不正常情況，從原始數(shù)據(jù)可以看出這兩個測次的流速小于0.5m/s，已超出儀器能夠采集的流速范圍，故分析時亦予舍去。

3.4.3 成果分析

根據(jù)上述誤差偏大原因分析，需舍去9個測次，采用2015年雷達（RG-30）流量在線監(jiān)測系統(tǒng)與鉛魚纜道流速儀法在不同水位、不同時段、不同氣象等條件下同步測流的37組流量資料，重新建立Q0-Q1關(guān)系（見圖5），可得出二者的相關(guān)關(guān)系式為

Q0=0.7889Q1+44.802（R2=0.961）（2）由式（2）可以看出，二者具有良好的相關(guān)性。

3.4.4 成果檢驗

將2016年不同流量級別、水流相對穩(wěn)定條件下的32組實測流量資料作為樣本，對式（2）進行檢驗。結(jié)果表明：最大相對誤差為6.3%，最小相對誤差為-5.7%，隨機不確定度為5.8%，系統(tǒng)誤差為0.3%，均不超過《河流流量測驗規(guī)范）（GB50179-2015）中隨機不確定度不應(yīng)超過6%和系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過±1%的規(guī)定。

4 結(jié)語

（1）雷達（RG-30）在線流量監(jiān)測系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，設(shè)備性能可靠，安全系數(shù)高，維修簡單，具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

（2）系統(tǒng)具有較強的快速測量、數(shù)據(jù)處理以及遠程傳輸功能，在有網(wǎng)絡(luò)的地方，利用手機等設(shè)備可以實時查詢水位、流量，能夠及時、準確、快速地掌握信息，可滿足水文測報方式自動化、信息化的要求，適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展對快速獲取水文信息的需求。

（3）比測結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求，可以用來進行青銅峽西總水文站的水位、流量測報，并可在有條件的站點推廣應(yīng)用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.水位觀測標準：GB/T 50138-2010[S].北京：中國計劃出版社，2010；26.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.河流流量測驗規(guī)范：GB50179-2015[S].北京：中國計劃出版社，2015：14.