移動式雷達(dá)波測流系統(tǒng)在中小河流中的應(yīng)用分析
——以橫路水文站為例

占承德，王翠銀，余夢暉

（江西省九江市水文局，江西 九江 332000）

0 引言

在建設(shè)水文自動測報(bào)系統(tǒng)及防汛指揮系統(tǒng)時(shí)，雨水情信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和準(zhǔn)確性顯得尤為重要。當(dāng)前，水文監(jiān)測也面臨著測站點(diǎn)數(shù)量成倍增加、人工駐測方式成本高效率低、洪水期測流安全威脅大等問題，為推進(jìn)基層水文測驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新，提高水文信息時(shí)效性，解決無人駐守條件下中小河流測驗(yàn)難題，橫路水文站對雷達(dá)波測流系統(tǒng)進(jìn)行了測流應(yīng)用，尋求轉(zhuǎn)子式流速儀等常規(guī)儀器在大洪水和有漂浮物無法入水測驗(yàn)等問題的解決方法，為推廣雷達(dá)波測流儀在中小河流應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)[1]。

1 雷達(dá)波測流系統(tǒng)簡介

移動式雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)由測站設(shè)備、服務(wù)器管理軟件、接收中心管理軟件組成，借助跨河簡易水文纜道，系統(tǒng)自動控制所有設(shè)備協(xié)同工作，記錄不同時(shí)間下的水位，判定設(shè)定時(shí)間的水位變幅，根據(jù)設(shè)定的水位變幅自動啟動雷達(dá)波測速過程，測流完成后系統(tǒng)根據(jù)實(shí)測水位、借用大斷面資料，完成斷面流量的計(jì)算，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼?，?shí)現(xiàn)無人值守自動測驗(yàn)。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由3部分組成：測站設(shè)備、服務(wù)器管理軟件和接收中心管理軟件。

（1）測站設(shè)備：主要由簡易纜道、測流控制器、雷達(dá)測流傳感器、自動行車、水位計(jì)、GPRS無線模塊、太陽能供電系統(tǒng)、附屬傳感器組成。

（2）服務(wù)器管理軟件：主要接收測站發(fā)來的全部信息，存入流量測驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。服務(wù)管理器軟件提供WEB接口，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)查看測站數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程啟動測站測流、遠(yuǎn)程修改測站參數(shù)。

（3）接收中心管理軟件：管理人員可通過下載數(shù)據(jù)庫中的測站數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上再進(jìn)行分析、整編，生成水文報(bào)表。

1.2 測流原理

借助跨河簡易水文纜道，當(dāng)探頭自動移動到第一條測速垂線后，流速探頭即根據(jù)控制系統(tǒng)的指令采集水面流速數(shù)據(jù)。依次自動移動到每條垂線進(jìn)行測量，結(jié)合大斷面資料計(jì)算出斷面面積和斷面流量[2]。

式中：Qf為斷面虛流量，m3/s；Kf為回歸系數(shù)；Q 為斷面實(shí)測流量，m3/s。

測流軟件在完成流速測量后，自動進(jìn)行流量計(jì)算，并通過軟件上傳，水文測報(bào)中心管理人員通過軟件下載數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，再進(jìn)行分析、整編，生成水文報(bào)表。

1.3 工作過程

監(jiān)控管理軟件在纜道雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)中自動控制所有設(shè)備協(xié)同工作，內(nèi)存記錄不同時(shí)間下的水位，判定設(shè)定時(shí)間的水位變幅，當(dāng)水位上升或下降達(dá)到設(shè)定的水位變幅值時(shí)自動啟動雷達(dá)波測速過程。測流過程中，系統(tǒng)軟件將自動控制PLC纜道自動控制柜的上/下電、水文纜道的運(yùn)行/停止、雷達(dá)探頭測速的開始/停止，直至完成雷達(dá)波測速行車的走航。系統(tǒng)軟件會再根據(jù)實(shí)測水位、借用大斷面資料，完成斷面流量的計(jì)算及傳輸。

2 橫路水文站概況

2.1 測站基本情況

橫路水文站位于江西省武寧縣橫路鄉(xiāng)，東徑115°07′11″，北緯 29°25′42″，集水面積 175km2。2016 年 5 月1日由江西省水文局設(shè)立，屬三類精度水文站，由九江市水文局城區(qū)水文測報(bào)中心巡測管理。

測驗(yàn)設(shè)施設(shè)于河道右岸，測驗(yàn)河段順直長約500m，無岔流、串溝、逆流等。河道水面寬在20～38m之間，河槽呈倒梯形，主河河床由細(xì)沙和淤泥組成，兩岸筑有攔洪墻。左岸為陡坎，由巖石和壤土構(gòu)成，右岸為水泥六方塊護(hù)岸，斷面沖淤不明顯，河床較穩(wěn)定（見圖1）。

基本水尺斷面下游100m處有一橋梁。

2.2 河流及水位流量關(guān)系特性

橫路水文站屬于修水一級支流巾口水支流上，洪水來源為上游降水，一次洪水過程1～2日，洪峰持續(xù)時(shí)間約20～40min，具有典型暴漲暴落山區(qū)性河流洪水特性；洪水一般為單峰型，間斷性暴雨也會出現(xiàn)復(fù)式峰型，水位流量關(guān)系為單一曲線關(guān)系。

2.3 斷面穩(wěn)定性分析

根據(jù)2017～2019年3年汛前實(shí)測大斷面數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪歷年大斷面圖（見圖2）。由圖2可知，因2018～2019年間進(jìn)行了河道疏浚和對河岸護(hù)坡進(jìn)行部分硬化改造，導(dǎo)致2017～2019年斷面年際間均有小幅變化，改造完成，該站的斷面總體穩(wěn)定。

圖1 橫路水文站測驗(yàn)河段平面圖

圖2 橫路水文站歷年大斷面圖

計(jì)算各級水位所對應(yīng)的面積，點(diǎn)繪2017～2019年水位～面積關(guān)系線，通過點(diǎn)群中心點(diǎn)繪橫路水文站水位～面積綜合線及其±3%、±6%的外包線。通過分析，橫路水文站歷年水位～面積曲線中高水部分都在±3%外包線內(nèi)，低水部分基本在±6%外包線內(nèi)，說明橫路水文站斷面較穩(wěn)定。歷年面積線與綜合面積線誤差及相鄰年份間面積變化情況分析結(jié)果見表1。

綜合以上分析，橫路水文站斷面較穩(wěn)定，每年汛前實(shí)測一次大斷面，并及時(shí)將斷面數(shù)據(jù)更新保存至雷達(dá)波測流系統(tǒng)。

表1 橫路水文站歷年面積線與綜合面積線誤差及相鄰年份間面積變化情況表

3 資料收集和成果分析

3.1 儀器使用和資料收集情況

橫路水文站2016年安裝調(diào)試?yán)走_(dá)波測流系統(tǒng)并開始了試運(yùn)行，2017年正式收集資并進(jìn)行了資料初步分析整理。2017～2019年共有雷達(dá)波在線數(shù)據(jù)1 170次，正常運(yùn)行天數(shù)為1 065天，3年故障天數(shù)為31天，中高水洪水過程全部收集到測流數(shù)據(jù)。

3.2 斷面虛流量與實(shí)測流量的相關(guān)分析

本次分析共收集比測資料30次（其中低水12次、中水15次、高水3次，實(shí)測流量采用走航式ADCP在下游橋梁處收集，與雷達(dá)波測流同步收集流量資料）。分析樣本系列中，實(shí)測最高水位69.09m，實(shí)測最低水位65.90m，實(shí)測水位變幅3.19m，實(shí)測最大流量176.00m3/s，實(shí)測最小流量 4.80m3/s[3]。

以斷面實(shí)測流量（ADCP流量）Q為縱坐標(biāo)、斷面虛流量（雷達(dá)波流量）為橫坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系圖（見圖3），通過線性回歸的率定分析方法確定流量關(guān)系（江西省水文局2019年已對九江市水文局采用走航式ADCP作為流量測驗(yàn)常規(guī)方法予以批復(fù)，本次比測分析采用以走航式ADCP作為比測）。

3.3 相關(guān)關(guān)系的檢驗(yàn)

采用Q線=0.860 1Q雷達(dá)+0.423 7過點(diǎn)群中心繪制相關(guān)關(guān)系線，并做相關(guān)線的符號、適線和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，橫路站Q虛～Q實(shí)關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表如表2所示。

圖3 橫路站雷達(dá)波流量與ADCP流量線性相關(guān)分析圖

通過對30個(gè)樣本容量分析，樣本容量30，符號、適線、偏離數(shù)值檢驗(yàn)均通過了檢驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)差8.30%，系統(tǒng)誤差0.33%，各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均合格，符合三類精度水文站要求[4，5]。

表2 橫路水文站Q虛～Q實(shí)關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表

4 雷達(dá)波測流成果及水位流量關(guān)系應(yīng)用分析

通過對走航ADCP流量（30次）進(jìn)行分析以后，得出橫路水文站水位流量關(guān)系是單一曲線并進(jìn)行三檢。同時(shí)為了更好證明雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)在中小河流的適用情況，本次對橫路水文站收集的雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)的實(shí)測流量進(jìn)行驗(yàn)證。采取按水位級分布在2019年雷達(dá)波流量測次中隨機(jī)選擇20次流量，通過Q線=0.860 1Q雷達(dá)+0.423 7換算后，進(jìn)行水位流量關(guān)系線的擬合（見圖4），并進(jìn)行三線檢定。

圖4 橫路站2019年水位～流量關(guān)系圖

將ADCP流量和隨機(jī)選擇的雷達(dá)波流量兩個(gè)系列合并定線，來判斷兩個(gè)系列是否存在系統(tǒng)偏離，在兩個(gè)系列符合符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行t檢驗(yàn)（檢驗(yàn)兩樣本是否來自同一分布系列），檢定結(jié)果見表3。

從相關(guān)線檢驗(yàn)結(jié)果情況來分析，相關(guān)線各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均合格，符合三類精度水文站要求，可認(rèn)為雷達(dá)波流量通過線性方程Q線=0.860 1Q雷達(dá)+0.423 7換算符合實(shí)際，較合理。從對ADCP流量和雷達(dá)波流兩上系列t檢驗(yàn)認(rèn)為兩系列沒有系統(tǒng)偏離，可合并綜合定線，實(shí)際工作中，在雷達(dá)波測流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可用單一線（綜合線）代替。

5 影響雷達(dá)波測流的主要因素及處理方法

（1）河道測驗(yàn)斷面資料對雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)的流量測驗(yàn)結(jié)果有直接影響，能否及時(shí)取得大斷面數(shù)據(jù)高程，并及時(shí)修改系統(tǒng)中斷面數(shù)據(jù)參數(shù)，將有利于流量測驗(yàn)精度的提高。

（2）測驗(yàn)河段特性的穩(wěn)定及斷面水草生長對水流流態(tài)的影響亦將影響流量測驗(yàn)精度，宜每年對雷達(dá)波測流系統(tǒng)進(jìn)行3～5次的流量校測，若發(fā)現(xiàn)Q虛～Q實(shí)關(guān)系存在較大變化，應(yīng)及時(shí)對流量關(guān)系進(jìn)行重新確定。

（3）雷達(dá)波測流理論測速范圍在0.20m/s以上，通過在橫路水文站應(yīng)用收集的資料來看，當(dāng)水位低于65.90m，流速在0.30m/s以下時(shí)，測流成果精度偏低，且當(dāng)水位較低、流速特別小時(shí)，系統(tǒng)采集不到數(shù)據(jù)自動返回。

（4）當(dāng)水位較低、流速較小或雷達(dá)波測流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可根據(jù)本年度（近期）測流系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)期的流量測次，按水位級選取10～15次通過率定的流量關(guān)系線性方程進(jìn)行換算后，進(jìn)行水位流量關(guān)系的擬合，并與原定水位流量關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，如符合要求，則可沿用原水位流量關(guān)系進(jìn)行推流計(jì)算或?qū)收先睖y期資料進(jìn)行補(bǔ)充，反之則應(yīng)重新率定Q虛～Q實(shí)關(guān)系。

表3 橫路站水位流量關(guān)系檢驗(yàn)成果表

6 結(jié)語

根據(jù)以上分析，雷達(dá)波在線測流系統(tǒng)在橫路水文站的應(yīng)用無系統(tǒng)偏離，符合《河道流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）第六章浮標(biāo)法測流精度的要求。較好地解決了轉(zhuǎn)子流速儀和ADCP因特殊水情無法正常測驗(yàn)等問題，同時(shí)亦可通過對水文測站特性及水位流量關(guān)系的分析，對雷達(dá)波測流成果應(yīng)用進(jìn)行補(bǔ)充和推流替代。因此可以認(rèn)為移動式雷達(dá)波測流系統(tǒng)可作為橫路水文站的測流手段，可以有效地提高中小河流流量監(jiān)測現(xiàn)代化水平，在以防汛為主的流量測量中可發(fā)揮極大的作用。