雷達波在線測流系統(tǒng)在崇義水文站的應(yīng)用

劉運珊，劉明榮

（江西省贛州市水文局，江西 贛州 341000）

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，國家不斷加大對水文的投入力度，加快補齊水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)短板，同步加快水文基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)裝備和流量測驗等相關(guān)技術(shù)標準的修訂[1]。水文基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備得到較大改善，測報技術(shù)手段顯著提升，信息的準確性和時效性顯著提高，監(jiān)測服務(wù)能力顯著增強。以水文巡、間測為主的測驗方式是水文監(jiān)測現(xiàn)代化的共識，是提高水文監(jiān)測能力的必經(jīng)之路[2]。為了構(gòu)建“駐巡結(jié)合、巡測優(yōu)先、測報自動、應(yīng)急補充”的水文監(jiān)測體系；利用先進技術(shù)設(shè)備逐步替代傳統(tǒng)的人工觀測[3]，雷達在線流量系統(tǒng)便是應(yīng)運而生的一種水文流量測驗系統(tǒng)設(shè)備，具有自動監(jiān)測、傳輸、計算、展示的功能，可以實現(xiàn)河道流量測驗自動監(jiān)測，為防汛抗旱和水資源管理提供有力支撐。

1 雷達波在線測流系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

雷達波在線測流系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和服務(wù)端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端包括雷達波流速儀（以下簡稱HR-20A）、雷達波水位計（以下簡稱HR-30A）、RTU、太陽能電池板和免維護蓄電池組。服務(wù)端設(shè)置在市水文局機房內(nèi)，包括服務(wù)器（硬件）和在線系統(tǒng)（軟件）。HR-20A測速范圍為 0.15～15.00m/s，測速精度為±0.02m/s，有效距離為0.5～30.0m，適用于順直、穩(wěn)定、水流集中的測驗河段。

1.2 HR-20A測流原理

HR-20A是根據(jù)多普勒雷達測速原理，借用岸邊升桿、橋梁或其他合適的載體，儀器安裝在河道中泓位置，對水流的表面流速進行測量。雷達探頭向河道水面發(fā)射雷達波，波束在遇到水流反射進而測得某一區(qū)域內(nèi)的平均流速（指標流速），通過建立實測斷面平均流速與指標流速的關(guān)系，然后利用測得的指標流速換算為雷達波斷面平均流速，再將雷達波斷面平均流速乘以測時水位下的斷面面積，即為斷面的瞬時流量。

1.3 系統(tǒng)工作流程

數(shù)據(jù)采集端每5min測量并接收一次水位及流速數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)由RTU加密后自動向服務(wù)端實時發(fā)送。服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)后，進行加密解析，將解析后的數(shù)據(jù)進行流量計算，原始測驗數(shù)據(jù)和流量計算數(shù)據(jù)都存儲于數(shù)據(jù)庫中，再由瀏覽器展示給用戶。

2 測站概況

2.1 測驗河段基本情況

崇義水文站位于江西省崇義縣橫水鎮(zhèn)塔下村，東經(jīng) 114°18′01.9″，北緯 25°42′31.3″，屬于長江流域贛江水系章江二級支流小江，建站于2016年1月1日，為中小河流水文站，常年站，集水面積356km2。

測驗河段順直，單式河床無岔流、串溝現(xiàn)象。左岸為石質(zhì)防洪堤，右岸為土質(zhì)河岸，河床由礫石、粗沙組成。河床無沖淤影響，無坍塌現(xiàn)象。上游約40m有座公路橋，400m處有一彎道，約500m處2010年建一攔河壩，650m處右岸有一小支流加入；下游約60m有座橋，125m處有一彎道，300m處有一翻板式攔水壩。受上下游攔水壩影響，無水生植物。右岸灘地是蔬菜地，樹木稀少。

2.2 斷面情況

崇義水文站自2016年建站至今，測驗斷面位置未發(fā)生變動。2019年1月至2020年4月，崇義站實測流速儀測流斷面3次。通過對所測大斷面面積和平均河底高程變化分析，可知斷面在平水期穩(wěn)定幾乎無變化，但洪水過后可能會發(fā)生沖刷，需及時實測斷面。實測大斷面圖詳見圖1，相鄰測次斷面對比分析結(jié)果詳見表3。

3 雷達波在線測流系統(tǒng)比測應(yīng)用情況

3.1 比測儀器

利用流速儀和雷達波在線測流系統(tǒng)進行比測。HR-20A安裝在崇義站基本斷面下游50m公路橋中泓位置，采用固定式安裝。

3.2 比測方法

3.2.1 水位

以雷達式遙測水位計摘錄的水位為準。每日8時人工檢查遙測水位與校核水位是否一致，不一致時調(diào)整遙測水位，遇暴漲暴落時增加校測檢查次數(shù)。當(dāng)遙測出現(xiàn)故障時，采用人工觀測水位，月年最高、最低水位測記準確，洪峰、洪谷測記準確。

應(yīng)用雷達波測量河道水位已有較長的時間，技術(shù)成熟，測量精度能夠滿足GBJ 138-90《水位觀測標準》的規(guī)定[4]，不再做水位誤差分析。只對流量數(shù)據(jù)進行誤差分析。

圖1 崇義水文站斷面情況

表3 崇義站2019～2020年斷面變化分析表

3.2.2 流量

崇義水文站流量為三類精度站。流量測驗現(xiàn)狀為優(yōu)先采用纜道流速儀法進行測流，纜道故障必須在24h內(nèi)恢復(fù)，如無法及時恢復(fù)，可采用ADCP或橋測流速儀法施測流量。測驗測次應(yīng)按水位級布設(shè)，漲幅超1.5m的較大洪水，峰谷附近不少于1次，漲落面不少于2次，漲幅在0.5～1.5m的一般洪水，洪峰附近不少于1次，漲落面不少于1次；平水期相鄰測次時間間隔為7～10天。特殊時期或受變動回水影響或混合影響時，加密測次，具體以能測得流量變化過程為度。

本次比測采用流速儀測流時間為準，摘錄雷達波在線測流系統(tǒng)數(shù)據(jù)，雷達波自動測流系統(tǒng)借用基本斷面水深計算指標流量。

3.2.3 大斷面

崇義站流速儀測流斷面與基本水尺斷面相同，斷面測深方法采用壓力測深或全站儀涉水測量，岸上部分采用三等水準測量，起點距采用纜道計數(shù)器。

3.3 比測次數(shù)

本次分析采用2019年6月至2020年4月的25次比測成果進行分析。實測水位變幅為229.08～232.05m；流速儀實測流速變幅為0.39～2.84m/s，流量變幅為13.6～404.0m3/s。HR-20A測得流速變幅0.41～2.77m/s。比測資料含高、中、低水測次，施測次數(shù)和水位變幅均基本滿足開展相關(guān)分析需求。

圖2 實測流量面積與HR-20A借用面積對比圖

4 比測分析

4.1 斷面分析

通過對25次實測流量斷面數(shù)據(jù)與同時期的HR-20A借用斷面數(shù)據(jù)對比分析，可知，實測流量斷面面積與HR-20A借用斷面面積總體相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R2為0.995 4。面積相關(guān)關(guān)系見圖2。

4.2 指標流速率定

本次選取了崇義站2019年6月10日～2020年4月6日25次纜道流速儀法實測的斷面平均流速與相應(yīng)測流起訖時間內(nèi)HR-20A指標流速，建立相關(guān)關(guān)系，見圖3。對流速進行比較，得到二元回歸方程，y=-0.568 9x2+2.737 9x-0.628 8，R2為 0.910 3。

4.3 流量分析

通過率定后的流速計算得到各時段斷面平均的計算流量，見表4，流量相關(guān)關(guān)系見圖4，流量過程擬合情況見圖5。

圖3 指標流速與斷面平均流速對比圖

圖4 計算流量與斷面平均流量關(guān)系圖

表4 崇義站斷面平均流速與HR-20A指標流速對比結(jié)果

根據(jù)上述分析計算表明，HR-20A計算流量與實測斷面平均流量相關(guān)性為0.969 7，流量過程擬合度較好。將相關(guān)線進行符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗，隨機不確定度及系統(tǒng)誤差不符合《河道流量測驗規(guī)范》（GB 50179-93）第五章浮標法測流精度要求。分析其原因有：一是測次選用期斷面不穩(wěn)定，沖刷較大；二是對比測次偏少，尚不足30次。

5 結(jié)語

圖5 計算流量過程與斷面平均流量過程對比擬合圖

崇義站雷達波在線測流系統(tǒng)和流速儀兩種方法的流量相關(guān)關(guān)系式為y=1.007 2x+4.63時相關(guān)系數(shù)R2=0.969 7，相關(guān)關(guān)系擬合較好，但精度尚不符合《河道流量測驗規(guī)范》（GB 50179-93）第五章浮標法測流的三類精度水文站的要求。應(yīng)選取斷面穩(wěn)定期增加比測次數(shù)，繼續(xù)研究該站雷達波測流精度問題。若該站雷達波在線測流系統(tǒng)精度可滿足規(guī)范則建議在該站斷面穩(wěn)定時期投入常規(guī)應(yīng)用，建議：一是使用時應(yīng)在大洪水后或有其他影響斷面變化因素時及時施測大斷面并更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以保證雷達波在線測流系統(tǒng)的準確性；二是每日8時人工檢查遙測水位與校核水尺水位是否一致，不一致時調(diào)整遙測水位，遇暴漲暴落時增加校測檢查次數(shù)以提高測驗精度。經(jīng)驗成熟后該系統(tǒng)可在測驗斷面穩(wěn)定、水流集中的測站推廣使用。