非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)在吉安地區(qū)中小河流的應(yīng)用研究

黃劍 劉鐵林 王貞榮 劉金霞

摘 要：針對傳統(tǒng)的天然河道流量測驗(yàn)大部份都需要人到實(shí)地參與其中，自動化水平低，難以適應(yīng)當(dāng)前水文測驗(yàn)點(diǎn)多面廣、任務(wù)繁重的新形勢。特別是吉安地區(qū)中小河流，其洪水特性陡漲陡落、歷時短，面對人員偏小又要進(jìn)行流量巡測存在很大困難。為了適應(yīng)新形式下國家和社會對水文的要求，江西省吉安市水文局開始探索引進(jìn)一些適合在中小河流能應(yīng)用的先進(jìn)在線流量測驗(yàn)設(shè)備，經(jīng)綜合考慮決定引進(jìn)非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)，選擇在坳下坪㈡水文站和彭坊水文站兩個水文站分別安裝應(yīng)用，通過收集資料與常規(guī)水文測驗(yàn)（流速儀法）的資料進(jìn)行比對分析，判斷該系統(tǒng)是否能達(dá)到中小河流測驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：非接觸 雷達(dá)監(jiān)測 測流 中小河流 應(yīng)用

1.測流系統(tǒng)介紹

伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非接觸雷達(dá)測流系統(tǒng)在水文行業(yè)的應(yīng)用日益增多，市場上衍生出眾多該類別產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊。Sommer RQ-30是非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)中眾多產(chǎn)品中的一款，屬進(jìn)口設(shè)備。它是利用多普勒頻移效應(yīng)原理，儀器發(fā)送固定頻率雷達(dá)波斜向射到水面，一部分雷達(dá)波被水面波浪反射回來，反射回來的雷達(dá)波產(chǎn)生多普勒頻移信息被儀器接收，測出反射和發(fā)射信號的頻差，就可以計(jì)算出水面波浪的流速。水位測量是根據(jù)雷達(dá)發(fā)射雷達(dá)脈沖經(jīng)水面反射回來，測得所花費(fèi)的時間，由此計(jì)算出水位高度。又因?yàn)榻孛婷娣e由水位高度決定，得出相應(yīng)截面積。最后根據(jù)面積乘以流速得到流量。

2.測流系統(tǒng)的特點(diǎn)

非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對河道流量、流速、水位等水文信息的實(shí)時監(jiān)測，并及時掌握河流流量狀況，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時數(shù)據(jù)信息查詢，特別是洪水期信息查詢與預(yù)警。在斷面條件穩(wěn)定，測驗(yàn)河段較好情況下，流速可測量到最低0.2m/s。在線監(jiān)測解決了人工監(jiān)測的人力、財力、物力消耗問題，提高了測量數(shù)據(jù)的密度和精度，減少了洪水期人員測量的風(fēng)險，為山區(qū)洪水監(jiān)測提供現(xiàn)代化技術(shù)手段。

3.測流系統(tǒng)應(yīng)用情況

非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)是在2013年9月份安裝在坳下坪㈡水文站（集水面積86.4平方公里，屬禾源水），在坳下坪㈡站已對收集3年多資料進(jìn)行經(jīng)對比分析，成果較好。為在其它特性的中小河流收集相關(guān)資料，于2016年底在彭坊水文站（集水面集122平方公里，屬消河水）也安裝該系統(tǒng)開展應(yīng)用研究。

4.分析方法

為了便于分析，兩個站的非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)設(shè)備都是安裝在較穩(wěn)定測驗(yàn)斷面上，除特殊情況外，斷面不易變化。所以本文重點(diǎn)將從水位和流量兩方面進(jìn)行分析。首先分析水位的測量精度是否能夠滿足《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，然后對同時間點(diǎn)雷達(dá)波流量與LS25-3A型流速儀流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，將雷達(dá)波實(shí)測流量跟流速儀實(shí)測流量兩者資料進(jìn)行相對誤差、系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度分析，通過計(jì)算得出結(jié)果是否符合《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》要求的精度。

4.1水位分析

分別對坳下坪㈡水文站和彭坊水文站的水位展開分析。采用兩種方法，方法1：彭坊站水位對比分析，任意隨機(jī)在某一時間段內(nèi)選取兩種水位計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)比測，比測數(shù)據(jù)在30次以上；方法2：坳下坪㈡站水位水位對比分析，在洪水測流時段兩種水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比測。詳見圖1和圖2。

圖1選用的是彭坊站隨機(jī)選擇時段水位，經(jīng)對比水位誤差最大0.01米；圖2選用的是坳下坪㈡站測流時段水位對比析，水位誤差最大0.01米。從兩種水位比測分析結(jié)果都符合GBJ 138—90《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求，得到結(jié)果是可以采用雷達(dá)波實(shí)時在線測流系統(tǒng)中的水位，展開流量對比分析。

4.2流量對比分析

選擇坳下坪㈡站和彭坊站都是在吉安地區(qū)中小河流中極具代表性的站點(diǎn)，其分別代表了2種河流特性：①彭坊站河床穩(wěn)定，斷面控制條件較好，水位流量關(guān)系比較穩(wěn)定，多數(shù)年份為單一線。②坳下坪㈡站水位流量關(guān)系多年來一直是的多條臨時曲線，自然過渡或內(nèi)插過渡。

4.3誤差分析

根據(jù)誤差的特點(diǎn)和性質(zhì)，誤差可分為系統(tǒng)、隨機(jī)和粗大誤差3種。本文將LS25-3A型流速儀實(shí)測流量的時間摘錄相同時間雷達(dá)波測量的流量值，通過兩組流量值進(jìn)行誤差分析，將比測分析中的粗大誤差（突出點(diǎn)）剔除，分別計(jì)算彭坊站和坳下坪㈡站的相對誤差、系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差和總不確定度，分析成果。

（1）彭坊站流量誤差分析

彭坊站選用的雷達(dá)波和纜道流速儀法測驗(yàn)資料時間是從2017年6月1日到7月4日，測次共30次（全部為纜道流速儀法），其中中低水位級資料16次、高水位級資料14次；因?yàn)榻?jīng)歷2個較大的洪水過程，且測次分布均勻和資料齊全，所以進(jìn)行資料分析是具有代表性。通對LS25-3A流速儀和雷達(dá)波流量成果進(jìn)行相關(guān)分析，繪制出回歸直線圖，通過分析找到相關(guān)關(guān)系為：y=1.1891x-11.384，相關(guān)系數(shù)0.9868?？梢钥闯鯨S25-3A型流速儀與雷達(dá)波流量數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，詳見圖3和圖4。

通過30次流量成果的比測分析，找到他們之間的線性關(guān)系，再利用LS25-3A型流速儀實(shí)測流量定出水位流量關(guān)系曲線，進(jìn)行誤差評定。同時，計(jì)算雷達(dá)波單次實(shí)測流量與關(guān)系曲線的相對誤差、系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差和總不確定度。得到結(jié)果系統(tǒng)誤差為：1.6%；總不確定度為6.18%。參照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》均勻浮標(biāo)法單次流量測驗(yàn)允許誤差標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（2）坳下坪㈡站流量誤差分析

隨機(jī)選取坳下坪㈡站雷達(dá)波和纜道流速儀法測驗(yàn)資料時間是從2013年9月18日到2014年5月30日時段，測次共44次（全部為纜道流速儀法），因?yàn)闀r間跨度歷時2年，經(jīng)歷多個較大的洪水過程，且測次分布均勻和資料齊全，所以進(jìn)行資料分析具有代表性。詳見圖5和圖6。

通過在坳下坪㈡站收集到的44次流量對比資料，對LS25-3A流速儀和雷達(dá)波流量成果進(jìn)行相關(guān)分析，繪制出回歸直線圖，通過分析找到相關(guān)關(guān)系為：y=0.9771x+0.1568，相關(guān)系數(shù)0.9971?？梢钥闯鯨S25-3A型流速儀與雷達(dá)波流量數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。

5.結(jié)語

從非接觸式雷達(dá)波測流系統(tǒng)在吉安地區(qū)中小河流的應(yīng)用情況和資料對比分析，可以得到以下結(jié)論：該系統(tǒng)在吉安地區(qū)中小河流應(yīng)用積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，在與坳下坪㈡站和彭坊站類似的河段上可以安裝應(yīng)用該系統(tǒng)，其可作為傳統(tǒng)方法的補(bǔ)充和替代。在此地區(qū)推廣應(yīng)用該系統(tǒng)也較為成熟，它提高了測流的時效性，資料的完整性，預(yù)警預(yù)報時效性，尤其是它能夠長期自動測量和數(shù)據(jù)輸出的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了天然河道流量自動監(jiān)測，從而進(jìn)一步提高了水文測報的自動化水平。

（本課題來源于江西省水利廳科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號為GT201502）

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國水利部.水位觀測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：GBJ 138—90].北京：中國水利水電出版社， 2010：83-85.

[2]中華人民共和國水利部.河流流量測驗(yàn)規(guī)范：GB 50179-2015[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2016：85-86.

[3]錢學(xué)偉，陸建華.水文測驗(yàn)誤差分析與評定[M].北京：中國水利水電出版社，2007：1-94.