移動(dòng)雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)在松柏水文站的應(yīng)用

潘曉斌，胡輝華，陳端丹，盧向飛，崔 英，賀建國(guó)

（湖北省十堰市水文水資源勘測(cè)局，湖北 十堰 442000）

0 引言

松柏水文站位于神農(nóng)架林區(qū)青陽(yáng)河中游，為鄂西北漢江流域南岸小面積代表站，屬山區(qū)暴雨洪水特性，暴漲暴落，斷面以上流域面積為 104 km2，是國(guó)家二類精度基本水文站。因受地方基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)影響，松柏水文站原纜道及鉛魚(yú)測(cè)流設(shè)施被拆除，造成中、高水流量測(cè)驗(yàn)困難，采用流速儀或 ADCP測(cè)流，因漂浮物多、流速大而極不安全。

移動(dòng)雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱測(cè)流系統(tǒng)）適合大流速、高含沙量、多漂浮物的山區(qū)性河流測(cè)流，可在降雨、夜間、無(wú)交流電環(huán)境中正常工作[1]，要求測(cè)點(diǎn)位置范圍內(nèi)無(wú)突出水面隨風(fēng)擺動(dòng)的植物影響，而松柏水文站測(cè)驗(yàn)河段順直，水流流態(tài)穩(wěn)定，左岸為混凝土護(hù)坡，右岸為人工塊石漿砌護(hù)坡，河槽大致呈 U 形。因此，松柏水文站適合建設(shè)測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

1 測(cè)流系統(tǒng)組成

松柏水文站測(cè)流系統(tǒng)由測(cè)站設(shè)備、服務(wù)器管理軟件、中心水文站業(yè)務(wù)軟件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 松柏水文站測(cè)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 測(cè)站設(shè)備

松柏水文站測(cè)流系統(tǒng)設(shè)備由簡(jiǎn)易纜道（本測(cè)流系統(tǒng)重新建設(shè)的簡(jiǎn)易過(guò)河纜道）、測(cè)流控制器、雷達(dá)流速傳感器、自動(dòng)行車、浮子式水位計(jì)、GPRS 無(wú)線模塊、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、附屬傳感器（風(fēng)速、溫度傳感器及視頻頭等）組成。

測(cè)站設(shè)備按以下 4 種運(yùn)行方式啟動(dòng)測(cè)流，獲得當(dāng)前流量：根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔定時(shí)測(cè)流；根據(jù)預(yù)設(shè)的水位變率啟動(dòng)測(cè)流；由遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件遠(yuǎn)程啟動(dòng)測(cè)流，需 GPRS 網(wǎng)絡(luò)支持；GPRS 斷網(wǎng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作測(cè)流控制器啟動(dòng)測(cè)流。

測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流工作原理如下：借助簡(jiǎn)易纜道，當(dāng)測(cè)流系統(tǒng)自動(dòng)行車移動(dòng)到第1 條測(cè)速垂線后，流速測(cè)量探頭根據(jù)計(jì)算機(jī)指令采集水面流速數(shù)據(jù)；自動(dòng)行車依次自動(dòng)移動(dòng)到每條垂線進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合大斷面資料計(jì)算出斷面面積；在完成流速測(cè)量后，測(cè)流軟件自動(dòng)進(jìn)行流量計(jì)算，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳。測(cè)流系統(tǒng)流量系數(shù)（以下簡(jiǎn)稱流量系數(shù)）K的確定是確保流量精度的關(guān)鍵，需專門進(jìn)行比測(cè)率定。

流速測(cè)量探頭技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)速范圍為 0.50～18.0 m/s；平均時(shí)間為 0～99.9 s；數(shù)據(jù)接口為RS-232；供電電壓為 1～14 V；工作電流最大為400 mA；波束寬度為 12°；微波功率為 50 mW；微波頻率為 34.7 GHz；工作溫度為 –30～80℃。

測(cè)流系統(tǒng)的安裝要求如下：測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)具有代表性，測(cè)點(diǎn)位置范圍內(nèi)無(wú)突出水面隨風(fēng)擺動(dòng)的植物影響，測(cè)量距離在 0.5～35.0 m 范圍內(nèi)，安裝高度高于歷史最高水位以上 0.5～15.0 m 范圍內(nèi)；測(cè)流系統(tǒng)自動(dòng)行車安裝在簡(jiǎn)易纜道上，安裝角度為 45°。

1.2 服務(wù)器管理軟件

服務(wù)器管理軟件接收測(cè)站發(fā)來(lái)的信息，存入流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)（區(qū)別于雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)）。市局服務(wù)器管理軟件提供 Web 接口，用戶可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查看測(cè)站數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程啟動(dòng)測(cè)站測(cè)流和修改測(cè)站參數(shù)。

登錄服務(wù)器管理軟件，可查看目前流域范圍內(nèi)水文測(cè)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括：測(cè)站照片、斷面形狀、水位、流量、風(fēng)速過(guò)程線、單次流量信息（每條測(cè)速垂線的起點(diǎn)距、測(cè)速時(shí)間、測(cè)時(shí)水位、測(cè)速歷時(shí)、水面流速）、單次流量的流速分布圖與斷面形狀對(duì)應(yīng)圖。

根據(jù)需要對(duì)測(cè)站歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，在對(duì)話窗口輸入查詢起止時(shí)間可以得到所需要的單次流量所有信息，使測(cè)站歷史數(shù)據(jù)更加直觀與全面。

可以對(duì)測(cè)站參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與修改，參數(shù)包括：水位采集、定時(shí)測(cè)流間隔時(shí)間，停測(cè)、報(bào)警水位，加測(cè)水位變幅，測(cè)速歷時(shí)，岸邊、水面系數(shù)，起點(diǎn)距零點(diǎn)位置及斷面施測(cè)號(hào)等。還可以設(shè)置與修改斷面資料，各垂線起點(diǎn)距與河底高程，并根據(jù)設(shè)置的斷面反映出斷面形狀與圖形。

1.3 中心水文站業(yè)務(wù)軟件

1 個(gè)中心水文站管理數(shù)個(gè)測(cè)站。數(shù)據(jù)經(jīng) GPRS模塊發(fā)送到指定的中心水文站，中心水文站人員通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程下載市局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中本中心站所轄的測(cè)站數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上分析處理，生成符合水文規(guī)范的測(cè)站流量相關(guān)關(guān)系圖表，包括水位-流量關(guān)系線（可以擬合曲線）、水位-流量過(guò)程線、水位-面積關(guān)系線、單次流速分布圖和各種水文報(bào)表，可滿足水文資料整編精度及水資源管理等要求，提高水文資料的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。用現(xiàn)代科技手段實(shí)現(xiàn)水文三大核心業(yè)務(wù)“測(cè)、報(bào)、整”升級(jí)換代，徹底擺脫傳統(tǒng)水文從測(cè)驗(yàn)到整編手工作業(yè)方式，方便快捷，安全可靠，省時(shí)省力。

2 測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)率定

2.1 目的要求

比測(cè)率定目的：通過(guò)流量比測(cè)分析松柏水文站不同水位級(jí)流量情況，率定流量系數(shù)，進(jìn)行誤差分析評(píng)判，驗(yàn)證測(cè)流系統(tǒng)能否滿足精度要求，建立穩(wěn)定的水位-流量關(guān)系，解決松柏水文站中、高水流量測(cè)驗(yàn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

2.2 水位級(jí)劃分

依據(jù)松柏水文站歷史水位變化情況，將松柏水文站水位級(jí)劃分為低水、中水、高水，其中：低水指水位在 879.50 m 以下，中水指水位在 879.50～881.50 m 之間，高水指水位在 881.50 m 以上。

2.3 質(zhì)量控制

依照 SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》要求，定線精度中，二類精度水文站隨機(jī)不確定度不大于 10%，系統(tǒng)誤差不大于 ±1%[2]；依據(jù) SL 195—2015《水文巡測(cè)規(guī)范》要求，二類精度水文站時(shí)段年徑流總量允許相對(duì)誤差不大于 3.0%，汛期徑流總量允許相對(duì)誤差不大于 3.5%[3]；根據(jù) GB 50179—2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求，二類精度水文站洪峰流量測(cè)驗(yàn)允許相對(duì)誤差不大于 7.0%[4]。

2.4 資料審查

本次率定數(shù)據(jù)采集時(shí)間為 2019 年 5 月 10 日—11 月 1 日，對(duì)同期采用轉(zhuǎn)子式流速儀人工實(shí)測(cè)得到的流量（Q人工，點(diǎn)）與測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)的流量（Q雷達(dá)波，點(diǎn)）進(jìn)行對(duì)比分析。

從 5 月 10 日開(kāi)始進(jìn)行流量比測(cè)，按照不同水位級(jí)布置測(cè)次，測(cè)次分布均勻合理，能夠滿足推求流量要求。采用轉(zhuǎn)子式流速儀在基本水尺斷面、基下100 m 處橋測(cè)斷面人工實(shí)測(cè)流量，5—10 月人工實(shí)測(cè)流量 40 次，Q人工，點(diǎn)變幅在 0.396～54.3 m3/s 之間，水位變幅在 878.78～879.97 m 之間，屬于中、低水位級(jí)。40 測(cè)次比測(cè)結(jié)果，滿足定線要求，并無(wú)明顯的系統(tǒng)偏離。

對(duì)Q雷達(dá)波，點(diǎn)進(jìn)行資料審查主要從水位-流量、水位-面積、水位-流速、水位-水面寬、水位-平均水深等關(guān)系方面分析，均分布合理。

對(duì)于少數(shù)突出點(diǎn)進(jìn)行分析，主要原因如下：1）人工實(shí)測(cè)水位與浮子式水位計(jì)自記水位不同步，當(dāng)水位漲落急劇時(shí)，自記水位滯后，與人工實(shí)測(cè)水位存在誤差；2）水位達(dá)到 879.20 m 時(shí)，在漫灘或枯水期水深較小時(shí)，固體物對(duì)雷達(dá)波的影響較大，造成測(cè)速誤差較大。

通過(guò)篩選，舍棄測(cè)流系統(tǒng)中自記水位與人工實(shí)測(cè)水位不同步測(cè)點(diǎn)偏離的測(cè)次流量，選取人工實(shí)測(cè)與測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)同步的，單次流量合理的 32 次流量比測(cè)資料進(jìn)行分析。

2.5 Q人工，點(diǎn) - Q雷達(dá)波，點(diǎn) 關(guān)系建立

選取松柏水文站篩選流量合理的 32 次Q人工，點(diǎn)與Q雷達(dá)波，點(diǎn)同步比測(cè)資料，計(jì)算單次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的流量系數(shù)K點(diǎn)（Q人工，點(diǎn)和Q雷達(dá)波，點(diǎn)比值），建立Q人工，點(diǎn)-Q雷達(dá)波，點(diǎn)

相關(guān)關(guān)系，關(guān)系曲線如圖 2 所示。

圖2 松柏水文站 Q人工，點(diǎn) - Q雷達(dá)波，點(diǎn) 關(guān)系曲線圖

從圖 2 可以看出：Q人工，點(diǎn)與Q雷達(dá)波，點(diǎn)相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)為 0.994 9。松柏水文站水位-流量系數(shù)（Z-K點(diǎn)）關(guān)系曲線圖如圖 3 所示。

圖3 松柏水文站 Z - K點(diǎn)關(guān)系曲線圖

從圖 3 可以看出：Z-K點(diǎn)關(guān)系曲線相關(guān)系數(shù)為0.906 0，關(guān)系點(diǎn)子群在 879.34～879.60 m 之間偏離較大，K點(diǎn)在 0.32～0.96 之間，擬合的關(guān)系曲線不盡完美，主要是率定時(shí)單次流量存在隨機(jī)誤差，Z-K點(diǎn)關(guān)系曲線雖然有一定的相關(guān)趨勢(shì)，但各點(diǎn)分布誤差較大。

2.6 流量系數(shù)確定

為消除單次流量的隨機(jī)誤差，選用水位-流量關(guān)系曲線同步水位法確定流量系數(shù)。用 5—10 月人工實(shí)測(cè)流量和測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)流量，分別通過(guò)點(diǎn)群中心建立人工實(shí)測(cè)水位-流量關(guān)系曲線（如圖 4 所示）和測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)水位-流量關(guān)系曲線（如圖 5 所示），選取不同水位級(jí)的水位-流量關(guān)系曲線上對(duì)應(yīng)的流量（Q人工，線或Q雷達(dá)波，線），率定流量系數(shù)K線，消除隨機(jī)誤差。

圖4 松柏水文站人工實(shí)測(cè)水位-流量關(guān)系曲線圖

圖5 松柏水文站測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)水位-流量關(guān)系曲線圖

人工實(shí)測(cè)流量資料采用臨時(shí)曲線法整編，測(cè)流系統(tǒng)所測(cè)流量資料采用連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法整編。測(cè)流斷面因受洪水沖淤影響，水位-流量關(guān)系形成2 個(gè)分布帶，時(shí)段 1 關(guān)系曲線與時(shí)段 2 關(guān)系曲線之間采用自然過(guò)渡，流量采用臨時(shí)曲線法推求，與歷年水位-流量關(guān)系曲線一致，經(jīng)分析定線合理，精度可靠。

繪制 5—10 月測(cè)流系統(tǒng)整編的水位與流量過(guò)程線對(duì)比圖，如圖 6 所示，可以看出測(cè)流系統(tǒng)的流量過(guò)程線與水位過(guò)程線基本吻合。

圖6 松柏水文站水位與流量過(guò)程比較圖

選取松柏水文站人工實(shí)測(cè)水位-流量關(guān)系曲線對(duì)應(yīng)的流量值，與測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)水位-流量關(guān)系曲線對(duì)應(yīng)的流量值，計(jì)算流量系數(shù)K線，計(jì)算公式如下：

式中：K線為不同水位級(jí)流量系數(shù)；Q人工，線為圖 4 中線上相應(yīng)水位對(duì)應(yīng)流量；Q雷達(dá)波，線為圖 5 中線上相應(yīng)水位對(duì)應(yīng)流量。

松柏水文站不同水位與K線建立的Z-K線關(guān)系曲線如圖 7 所示。

圖7 松柏水文站 Z-K線 關(guān)系圖

從圖 7 可以看出點(diǎn)群集中成帶狀，關(guān)系曲線擬合較好。根據(jù)Z-K線關(guān)系線型分析，K線變化符合測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流時(shí)受水流變化的特性：低枯水時(shí)水流流速小，水面波紋小，河底固體物對(duì)雷達(dá)的回波影響較大，流量系數(shù)變化較大；中、高水時(shí)水面流速大，波浪大而穩(wěn)定，所以雷達(dá)波回波也穩(wěn)定，K線趨于穩(wěn)定。因此，選用由水位-流量關(guān)系曲線同步水位法率定的流量系數(shù)，合理可行。

2.7 誤差分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)的流量資料及分析的流量系數(shù)的可靠性與合理性，對(duì)人工實(shí)測(cè)和測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)的流量進(jìn)行資料整編，計(jì)算統(tǒng)計(jì)各時(shí)段徑流量、洪峰流量及其誤差，統(tǒng)計(jì)表如表 1 所示。通過(guò)年徑流量、汛期徑流量和洪峰流量成果誤差分析可以得出，測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)的流量資料能夠滿足水文資料整編精度要求。

表1 松柏水文站時(shí)段徑流量及洪峰流量誤差統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語(yǔ)

測(cè)流系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)便、日常運(yùn)行成本低、維護(hù)少、安全快捷、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)外界抗干擾能力強(qiáng)，具有較好的適應(yīng)性；雷達(dá)波流速測(cè)量探頭采用非接觸式移動(dòng)測(cè)量測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，避免了水流流速、漂浮物、高泥沙的影響；配套設(shè)施設(shè)備安裝牢固，電纜線做防水處理，測(cè)流系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，實(shí)測(cè)大洪水更安全、高效、便捷，解放了水文站生產(chǎn)力；流量數(shù)據(jù)經(jīng) GPRS 模塊發(fā)送到指定的中心水文站，計(jì)算機(jī)分析處理后生成各種水文報(bào)表，簡(jiǎn)潔明了，利用測(cè)流系統(tǒng)測(cè)得的流速、流量、水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行水文資料整編，減少了數(shù)據(jù)二次錄入引起的可能錯(cuò)誤，提高了水文資料整編質(zhì)量和工作效率[5]。

測(cè)流系統(tǒng)測(cè)量的水面流速經(jīng)率定后推算的斷面流量精度較高[6]，水位-流量關(guān)系曲線定線精度符合SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》要求；時(shí)段年、汛期徑流量系統(tǒng)誤差符合 SL 195—2015《水文巡測(cè)規(guī)范》二類精度水文站要求；洪峰流量符合 GB 50179—2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》二類精度水文站要求[7]。

當(dāng)松柏水文站測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流斷面平均水深大于0.3 m 時(shí)，采用流量系數(shù)K修正后的流量，建立水位-流量關(guān)系曲線推求流量；當(dāng)平均水深小于 0.3 m時(shí)，采用人工實(shí)測(cè)流量，建立水位-流量關(guān)系曲線，以滿足水資源管理生態(tài)流量監(jiān)測(cè)需求。

為消除洪水沖淤因素的影響，建議對(duì)測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流斷面做硬化處理（18 m × 30 m），以保證測(cè)流系統(tǒng)水位-流量關(guān)系穩(wěn)定。