超高頻雷達在河流在線測流中的應(yīng)用探討
——基于蘭溪水文站的案例分析

黃 健 ，方益銘，李三平，謝景濱， 陳 容

（1.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009；2.廣州和時通電子科技有限公司，廣東 廣州 511447）

1 問題的提出

河流的實時流量是水文、水資源管理及水利工程中的重要資料，是智慧水文建設(shè)中的重要內(nèi)容。水文信息化依靠傳統(tǒng)的水文測驗方法如垂線法、轉(zhuǎn)子流速法，是難以實現(xiàn)的[1]。近年來，隨著國內(nèi)水文行業(yè)的發(fā)展及國外先進測流技術(shù)的引進，聲學(xué)多普勒測流系統(tǒng)（H-ADCP）廣泛應(yīng)用于河流流量測驗中，解決了實時測量問題，測驗精度高[2]。然而ADCP 需安裝在水下，易受到水體中高沙或漂浮物影響，同時由于儀器長期置于水中，易附著水生生物，維護成本較高。

為了解決泥沙含量過大、漂浮物過多等情況下，河流流量的在線測量問題，超高頻雷達測流系統(tǒng)產(chǎn)生并投入使用。超高頻雷達測流系統(tǒng)通過雷達掃描計算江河表面流速，并根據(jù)提供的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過水位、過流面積、斷面表面流速比的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)合成，完成惡劣天氣、高水位、復(fù)雜水體、應(yīng)急測量等特殊情況下的流量監(jiān)測，進一步滿足流量實時在線監(jiān)測的需求[3-6]。

2 超高頻雷達測流介紹

2.1 測流原理

目前測流常用的K 波段雷達系統(tǒng)，主要是利用目標對電磁波的反射（或散射）現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)目標并測定其位置和速度等信息。雷達利用接收回波與發(fā)射波的時間差測定距離，利用電波傳播的多普勒效應(yīng)測量目標的運動速度，并利用目標回波在各天線通道上幅度或相位的差異判別其方向。

超高頻雷達測流系統(tǒng)利用UHF 波段進行測流時，用到Bragg 散射理論（見圖1）。當(dāng)雷達電磁波與其波長1/2 的水波作用時，同一波列不同位置的后向回波在相位上差異值為2π 或2π 的整數(shù)倍，因而產(chǎn)生增強性Bragg 后向散射。

圖1 Bragg 后向散射基本原理圖

當(dāng)水波具有相速度和水平移動速度時，將產(chǎn)生多普勒頻移。在一定時間范圍內(nèi)，實際波浪可以近似地認為由無數(shù)隨機的正弦波動疊加而成。這些正弦波中，必定包含有波長正好等于雷達工作波長1/2、朝向和背離雷達波束方向的2 列正弦波。當(dāng)雷達發(fā)射的電磁波與這2 列波浪作用時，二者發(fā)生增強型后向散射。朝向雷達波動的波浪產(chǎn)生一個正的多普勒頻移，背離雷達波動的波浪產(chǎn)生一個負的多普勒頻移。多普勒頻移的大小由波動相速度決定。由于重力影響，一定波長波浪的相速度是一定的。在深水條件下（即水深大于波浪波長l的1/2）波浪相速度vp滿足式（1）定義：

式中：vp為波動相速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；l為波浪波長，m。

由相速度產(chǎn)生的多普勒頻率為：

式中：f0為雷達頻率，MHz；fB為多普勒頻率，Hz；λ為雷達發(fā)射電磁波的波長，m。

這個頻偏就是Bragg 頻移。朝向雷達波動的波浪將產(chǎn)生正的頻移（正的Bragg 峰位置），背離雷達波動的波浪將產(chǎn)生負的頻移（負的Bragg 峰位置）。在無表面流的情況下，Bragg 峰的位置正好位于式（2）描述的頻率位置。當(dāng)水體表面存在表面流時，上述一階散射回波所對應(yīng)的波浪行進速度便是河流徑向速度加上無河流時的波浪相速度。即：

式中：為波浪行進速度，m/s；為河流徑向速度，m/s；為波浪相速度，m/s。

此時，雷達一階散射回波的幅度不變，雷達回波的頻移為：

式中：Δf為雷達回波頻移，Hz。

通過判斷一階Bragg 峰位置偏離標準Bragg 峰的程度可計算出徑向流速。

超高頻雷達測得斷面的表面流速（代表流速），通過建立斷面平均流速與代表流速的關(guān)系，再將斷面平均流速乘以斷面面積，即為測量斷面的瞬時流量數(shù)據(jù)。

2.2 適用范圍

超高頻側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)目前可應(yīng)用于單站式測量系統(tǒng)和雙站式測量系統(tǒng)（見圖2）。其中單站式測量系統(tǒng)安裝在河流一側(cè)，可監(jiān)測到的斷面寬度為30～500 m，數(shù)據(jù)輸出為斷面徑向流速圖；而分裝兩岸的雙站式測量系統(tǒng)，最大測量范圍可達800 m，并且可獲得測量范圍的表面矢量流場圖。超高頻側(cè)掃雷達RⅠSMAR-U 可應(yīng)用于以下河流的流量監(jiān)測中：

（1）未建設(shè)纜道，無法使用傳統(tǒng)方法進行流速流量測驗的河流；

（2）含沙量或者水下漂浮物過多，影響H-ADCP 測量精度的河流；

（3）需要測量河流流速以及流暢動態(tài)變化的河流；

（4）包含航道且走航ADCP 或者流速儀無法進行流量測驗的河流；

（5）河流數(shù)據(jù)寬淺，無法應(yīng)用H-ADCP 測量的河道；

（6）超大洪水河流。

圖2 超高頻雷達測量系統(tǒng)示意圖（雙站式）

3 蘭溪水文站應(yīng)用分析

3.1 測站特性分析

蘭溪水文站是國家基本水文站，是錢塘江中游控制站，下游70 km 有富春江水力發(fā)電廠（日調(diào)節(jié)），上游2 km 是三江口，受富春江大壩影響，回水可達三江口上游。正常水位下，水面寬約380 m，上游380 m 有蘭江大橋，下游450 m 有鐵路大橋，下游1 200 m 有金角大橋，流域面積18 233 km2。

目前蘭溪水文站的流量測驗采用纜道流速儀和走航式ADCP 等儀器設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)組成及設(shè)備參數(shù)

3.2.1 設(shè)備組成

蘭溪水文站安裝的超高頻雷達RⅠSMAR-U 測流系統(tǒng)由1 個現(xiàn)場野外站和1 個中心站組成（見圖3）?，F(xiàn)場野外站包括收發(fā)天線、雷達主機、計算機和軟件子系統(tǒng)，中心站包括計算機、中心站軟件子系統(tǒng)。技術(shù)參數(shù)見表1。

圖3 超高頻雷達RISMAR-U組成設(shè)計圖（左）及實物圖（右）

表1 超高頻雷達RISMAR-U 技術(shù)參數(shù)表

續(xù)表1

3.2.2 測站安裝方案

（1）站點選址：按照水文相關(guān)規(guī)范要求，測流斷面選址要求順直，河床穩(wěn)定，水流集中，GPRS 網(wǎng)絡(luò)信號較為穩(wěn)定通暢，便于進行數(shù)據(jù)傳輸。蘭江寬度約400 m（＜500 m），在蘭溪水文站一側(cè)河岸安裝1 套單站式雷達，即可實現(xiàn)河道斷面的全覆蓋監(jiān)測。經(jīng)過謹慎嚴格的選址，最后選擇在水文站上游約100 m 的位置建站。

（2）供電系統(tǒng)：蘭溪水文站具備使用220 Ⅴ交流電的條件，雷達系統(tǒng)安裝完成后，使用射頻線纜連接天線和機箱，接入220 Ⅴ交流電。

（3）測量區(qū)域選擇：單站式超高頻雷達系統(tǒng)理論上可實現(xiàn)全斷面表面流速測量，但由于靠近對岸的斷面部分回波信號容易受到外界環(huán)境干擾，為提高系統(tǒng)準確性，超高頻雷達指標流速設(shè)置測量范圍為距起點40～200 m 區(qū)域。

（4）安裝情況：蘭溪水文站超高頻雷達系統(tǒng)于2019年6 月5 日完成安裝調(diào)試并接入系統(tǒng)，后續(xù)接入在線流量監(jiān)測綜合平臺，符合SL 323—2005《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標識符標準》及SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，適用于南方片數(shù)據(jù)資料整編自動后處理軟件，能與現(xiàn)有系統(tǒng)充分兼容，可用水情信息交換系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

3.3 比測率定和校驗

蘭溪水文站采用纜道流速儀數(shù)據(jù)與超高頻雷達在線測流系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進行率定分析，以超高頻雷達施測的代表流速（V代表）與纜道測流所測流量計算出的平均流速（V平均）建立相關(guān)關(guān)系。超高頻雷達測流系統(tǒng)的測速間隔為5 min，為實現(xiàn)超高頻雷達與實測流速時間同步，代表流速選取纜道測流時間段區(qū)間內(nèi)超高頻雷達測量流速數(shù)據(jù)的平均值。

本次率定分析資料的獲取時間段為2019 年7 月4日—9 月20 日，共38 份纜道測流數(shù)據(jù)資料參與率定，實測流量變幅為138～10 800 m3/s，流速變幅為0.09～2.32 m/s，水位變幅2.70～10.34 m。本次V代表—V平均相關(guān)公式為：y=0.2x2+0.568 3x+0.064 3（見圖4）。

圖4 蘭溪水文站在線流量監(jiān)測系統(tǒng)率定關(guān)系圖

4 討 論

4.1 準確性及合理性分析

4.1.1 準確性分析

為了進一步判斷超高頻雷達在線測流系統(tǒng)流速定線準確情況，根據(jù)定線計算的定線合格率y=0.2x2+0.568 3x+0.064 3，定線相對誤差精度≤15%的合格率達到97.06%，滿足水文整編規(guī)范定線和精度要求（見表2）。對V代表—V平均關(guān)系線進行三線檢驗分析，定線精度指標參照SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》，符合規(guī)范要求。

表2 合格率分析計算表

4.1.2 合理性分析

選取率定期間高中低代表水位、常規(guī)纜道測流法實測流量數(shù)據(jù)與超高頻雷達在線測流系統(tǒng)的35 組流量數(shù)據(jù)進行合理性對比驗證分析（見圖5）。在流量變幅為138～10 800 m3/s，流速變幅為0.09～2.32 m/s 范圍內(nèi)，超高頻系統(tǒng)計算流量過程線跟常規(guī)纜道測流法實測流量過程線高度重合，且與水位變化過程一致，并未觀察到數(shù)據(jù)的跳變等現(xiàn)象，跟河流變化規(guī)律相符，超高頻雷達測流代表流速推流成果合理，數(shù)據(jù)可用。

圖5 蘭溪洪水過程水位流量過程線圖

4.2 應(yīng)用情況分析

4.2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

蘭溪水文站于2019 年5 月引進超高頻雷達在線測流系統(tǒng)，6 月完成現(xiàn)場安裝調(diào)試，開始試運行。在安裝試運行期間，系統(tǒng)設(shè)定每5 min 出具1 組流量數(shù)據(jù)。率定期間，系統(tǒng)實現(xiàn)24 h 實時在線連續(xù)采集流量數(shù)據(jù)，具有良好特性。

（1）儀器設(shè)備硬件穩(wěn)定無故障。率定期間，系統(tǒng)硬件設(shè)備未出現(xiàn)故障情況，整體穩(wěn)定性良好。在雷擊暴雨等惡劣天氣情況下儀器能夠正常運行，具有較強的抗環(huán)境影響能力。

（2）數(shù)據(jù)表現(xiàn)平穩(wěn)。雖然超高頻雷達天線與河流流向具有一定的角度，但是回波強度變化過程線未發(fā)現(xiàn)突變或間斷情況，趨勢較平穩(wěn)。

（3）抗洪水沖擊能力強。在洪水期間，探頭所在位置漂浮物較多，河流含沙量較大，流速較大，受水流沖擊，天線在風(fēng)力等作用下擺動幅度為0.0°～1.5°，儀器能夠抵抗洪水沖擊，滿足洪水監(jiān)測的需求。

4.2.2 應(yīng)用成果分析

超高頻側(cè)掃雷達RⅠSMAR-U 系統(tǒng)的每組流量數(shù)據(jù)，通過14 份流場數(shù)據(jù)（見圖6）篩選得出，相對于ADCP 或者雷達系統(tǒng)，獲取的數(shù)據(jù)量及細節(jié)更多。從圖6 可看到部分數(shù)據(jù)缺失，可能是由于現(xiàn)場水面船只和漂浮物對信號的影響[6]。目前蘭溪水文站優(yōu)化了數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，通過回波信號的差異區(qū)分水面船只和漂浮物，進而通過算法過濾掉這些物體對水體流速測量的影響。

圖6 蘭溪站超高頻雷達測流系統(tǒng)流場數(shù)據(jù)圖

在應(yīng)用過程中，過大的風(fēng)速會導(dǎo)致雷達天線不同頻率的擺動或者震動，如果震動頻率跟雷達波頻率相近則會影響雷達波信號，且超高頻雷達測量的是水下7 cm 左右重力波的運動速度，風(fēng)速可能對數(shù)據(jù)造成一定的影響[6-8]。

5 結(jié) 語

由超高頻雷達RⅠSMAR-U 系統(tǒng)在蘭溪水文站的應(yīng)用可知，超高頻雷達是一種先進、技術(shù)含量高的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)精度能夠達到水文規(guī)范的要求，可滿足在線測流24 h 無人值守自動化智能化測流要求。

系統(tǒng)非接觸式安裝，日常運行成本低、維護少、快捷、實時監(jiān)測，能夠解決泥沙含量過大、水下漂浮物過多等情況下流量的在線測量問題，可作為一種新型可靠的測量技術(shù)在浙江省乃至全國水文站推廣應(yīng)用，全面提高水文測報的自動化智能化水平。

超高頻雷達系統(tǒng)測流數(shù)據(jù)會受到現(xiàn)場水面的船只、漂浮物或風(fēng)速等影響，但是通過數(shù)據(jù)后處理的篩選疊加，能夠獲取更合理的數(shù)據(jù)。