陽朔水文站側(cè)掃雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比測(cè)率定成果分析

莫建英，吳樹誠，徐 茜

（桂林水文中心，廣西 桂林 541100）

1 測(cè)站概況

1.1 流域概況

陽朔水文站屬桂江中游控制站，位于陽朔縣城東側(cè)3 km的木山榨村。桂江發(fā)源于廣西興安縣華江鄉(xiāng)的老山界南側(cè)，由北向南流經(jīng)興安縣，與靈渠、小溶江匯合后稱為漓江；流經(jīng)桂林、陽朔、平樂等市縣，在平樂與恭城河、荔浦河匯合后稱桂江。其河源高程2 014.0 m，干流長度403 km，集水面積5585 km2。

該流域地處廣西桂北暴雨中心，屬濕熱的亞熱帶季風(fēng)氣候，受鋒面、切變線、低渦、高空輻合等暴雨天氣系統(tǒng)的影響，降水量豐沛，多年平均降水量1 519.2 mm，多年平均徑流量68.50億m3。桂江屬于山溪性河流，礁石多，淺灘多，河床坡度陡峻，水流急，洪水過程線較瘦，大洪水多為雙峰型。洪水一般出現(xiàn)在5～7月，洪水過程較長，一般漲水歷時(shí)9～24 h，退水歷時(shí)4～6 d，洪峰持續(xù)時(shí)間為0.5～2.0 h。

1.2 測(cè)驗(yàn)河段特性

測(cè)驗(yàn)河段基本順直，斷面呈“U”型，上游100 m是急灘，斷面以上120 m的河中、河左有礁石，引起水位在104.49 m以下時(shí)產(chǎn)生回流，右岸上游200 m有支流田家河匯入，上游600 m建有陽朔大橋，下游100 m為深潭。高、中、低水位的中泓位置隨水位的變化在80～160 m間左右擺動(dòng)。河床為卵石夾沙，180～190 m有沖淤現(xiàn)象。水位在108.36 m以上右岸開始漫灘60 m左右，水位在111.35 m以上右岸漫灘30 m左右。2013年，右岸開始修建游江竹排停泊的碼頭，水位107.60 m以上開始漫灘60 m左右，由于碼頭修建了水泥護(hù)堤，右岸220.00 m以外流速很小，看作死水。

陽朔水文站調(diào)查最高洪水為114.63 m，實(shí)測(cè)最高洪水位113.58 m，最大流速3.97 m/s，最大水深11.7 m。實(shí)測(cè)最大流量為6340 m3/s，相應(yīng)水位112.44 m，多年水位流量關(guān)系基本為單一曲線，高水時(shí)受洪水漲落影響一般為繩套曲線。

陽朔水文站屬于一類精度水文站，按國家標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范規(guī)定，高中低水劃分如下（85基準(zhǔn)以上米數(shù)）：高水為108.50 m以上，中水為104.50 m～108.50 m，低水為104.50 m以下。

2 設(shè)備引進(jìn)安裝調(diào)試情況

2.1 設(shè)備引進(jìn)來由

陽朔水文站多年來采用纜道流速儀、纜道牽引走航式ADCP等方法開展流量測(cè)驗(yàn)，這些都屬于接觸式測(cè)量方式，洪水期常受漂浮物等影響，阻礙設(shè)備的正常運(yùn)行，安全性也得不到保障；陽朔水文站在“印象劉三姐”景區(qū)附近，斷面過往游船較多，白天游船來往頻繁，晚上則受演出燈光影響，無法打開探照燈正常測(cè)流。側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流技術(shù)屬非接觸式測(cè)量方式，可以很好地解決陽朔水文站測(cè)流問題；開展陽朔水文站水文監(jiān)測(cè)信息化能力建設(shè)是為漓江流域應(yīng)急監(jiān)測(cè)、水旱災(zāi)害防御決策等提供科學(xué)依據(jù)，是解放勞動(dòng)力、切實(shí)做好防汛耳目與尖兵的重要方式，是洪水監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要基礎(chǔ)，是水文資料收集、水文特性研究的創(chuàng)新舉措。

出于上述考慮，陽朔水文站引進(jìn)了側(cè)掃雷達(dá)設(shè)備，并安裝試運(yùn)行。為檢測(cè)側(cè)掃雷達(dá)設(shè)備性能及運(yùn)行穩(wěn)定情況，決定2021年在陽朔水文站開展側(cè)掃雷達(dá)應(yīng)用試驗(yàn)工作。

2.2 儀器選型及基本情況

陽朔水文站使用南京微脈科斯電子科技有限責(zé)任公司自主研發(fā)的Ridar-200型側(cè)掃雷達(dá)設(shè)備，該設(shè)備采用非接觸式測(cè)流技術(shù)，利用水體對(duì)電磁波的反射（或散射）來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其位置和速度，對(duì)河流表面流場(chǎng)、網(wǎng)格點(diǎn)流速實(shí)現(xiàn)“多點(diǎn)同時(shí)”全天候連續(xù)監(jiān)測(cè)，水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通用平臺(tái)將接收到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，同時(shí)根據(jù)相關(guān)的水位值、斷面資料及流速比等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量合成，為測(cè)站提供數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)處理及成果瀏覽等工作。主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 Ridar-200型側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流儀主要技術(shù)參數(shù)

2.3 儀器安裝調(diào)試

經(jīng)實(shí)地查勘和各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)，選擇了視野開闊、無障礙物的陽朔水文站纜道站房樓頂為安裝地點(diǎn)，安裝位置在陽朔水文站流速儀測(cè)流斷面上，滿足雷達(dá)使用凈空環(huán)境，發(fā)射信號(hào)45°無遮擋，回波信號(hào)在高度合適的情況下正面120°無遮擋，三通道遠(yuǎn)近端信號(hào)良好。但標(biāo)準(zhǔn)配置下安裝高度略低，經(jīng)過計(jì)算，基本可以在高水位下覆蓋整個(gè)斷面。側(cè)掃雷達(dá)安裝及測(cè)流示意圖見圖1。

圖1 側(cè)掃雷達(dá)安裝及測(cè)流示意圖

3 比測(cè)率定分析情況

3.1 率定目的

側(cè)掃雷達(dá)設(shè)備是采用脈沖多普勒原理測(cè)量水面流速的設(shè)備，為檢驗(yàn)側(cè)掃雷達(dá)設(shè)備測(cè)量的指標(biāo)流速的代表性，須開展陽朔水文站Ridar-200型側(cè)掃雷達(dá)測(cè)量的指標(biāo)流速與斷面流速儀一點(diǎn)法（0.6水深）平均流速比測(cè)率定分析，建立率定計(jì)算公式，并通過比測(cè)分析獲得其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和適用性等情況，摸索在陽朔水文站直接使用Ridar-200型側(cè)掃雷達(dá)進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)和流量在線監(jiān)測(cè)的可行性。

3.2 率定方法

陽朔水文站側(cè)掃雷達(dá)設(shè)備測(cè)量的指標(biāo)流速與常規(guī)的流速儀一點(diǎn)法（0.6水深）斷面平均流速是否存在相關(guān)關(guān)系。通過收集比測(cè)期間各次比測(cè)資料，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，建立相關(guān)關(guān)系，通過符號(hào)檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)和適線檢驗(yàn)對(duì)相關(guān)關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，尋找最優(yōu)關(guān)系，并進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3.3 率定工作情況

3.3.1 資料選用情況

陽朔水文站側(cè)掃雷達(dá)設(shè)備于2021年4月底開始采集數(shù)據(jù)，由于安裝初期，儀器運(yùn)行不穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，期間比測(cè)的資料不參與率定分析。最終采用2021年6月30日～9月13日獲得的11組有效比測(cè)數(shù)據(jù)作為流速率定分析的依據(jù)，11組數(shù)據(jù)分布于低、中級(jí)水位，比測(cè)最高水位107.97 m，比測(cè)最低水位103.84 m，實(shí)測(cè)最大斷面平均流速1.89 m/s，實(shí)測(cè)最小斷面平均流速0.23 m/s。

3.3.2 側(cè)掃雷達(dá)表面流速有效流速單元置信度及資料分析

陽朔水文站側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流斷面垂線布設(shè)25個(gè)單元，第一個(gè)單元起點(diǎn)距為10 m，每個(gè)單元間距10 m，統(tǒng)計(jì)同一時(shí)間段不同探測(cè)距離置信度，依據(jù)河流斷面最深處信噪比為參考，全部參與斷面平均流速計(jì)算，數(shù)據(jù)可靠性較高。所分析的11個(gè)測(cè)次的雷達(dá)流速均采用全斷面加權(quán)平均法計(jì)算流速。側(cè)掃雷達(dá)與常規(guī)流速儀一點(diǎn)法（0.6水深）的測(cè)驗(yàn)比測(cè)成果見表2。

表2 陽朔水文站側(cè)掃雷達(dá)與常規(guī)流速測(cè)驗(yàn)比測(cè)成果表

4 比測(cè)率定成果及誤差分析

4.1 雷達(dá)指標(biāo)流速相關(guān)圖分析

將流速儀實(shí)測(cè)的斷面平均流速與側(cè)掃雷達(dá)斷面指標(biāo)流速對(duì)比的11個(gè)成果，繪制散點(diǎn)圖（見圖2）。從圖2可見，流速儀一點(diǎn)法測(cè)得的流速與側(cè)掃雷達(dá)的斷面指標(biāo)流速點(diǎn)子密集，呈直線趨勢(shì)。建立側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速y對(duì)流速儀一點(diǎn)法流速x的回歸直線方程，兩者的相關(guān)系數(shù)為R=0.994，-1

圖2 流速儀一點(diǎn)法流速～雷達(dá)斷面指標(biāo)流速散點(diǎn)圖

對(duì)圖2進(jìn)行分析，可以得出以下公式：

y=0.795x+0.358 R2=0.994

y=0.096x2+0.604x+0.418 R2=0.993

y=0.494e0.75xR2=0.983

y=0.582ln(x)+1.294 R2=0.919

y=1.205x0.57R2=0.980

4.2 三大檢驗(yàn)

由于公式y(tǒng)=0.795x+0.358的R值較大，相關(guān)關(guān)系較好，故對(duì)其進(jìn)行三大檢驗(yàn)分析。陽朔水文站側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速～流速儀一點(diǎn)法流速關(guān)系曲線檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表見表3。通過計(jì)算，側(cè)掃雷達(dá)的指標(biāo)流速與流速儀一點(diǎn)法流速的標(biāo)準(zhǔn)差Se=3.98%，隨機(jī)不確定度X′Q=2Se=7.96%<12%，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求。

表3 陽朔水文站側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速～流速儀一點(diǎn)法流速關(guān)系曲線檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

（1）符號(hào)檢驗(yàn)：n=11，K=6（K為正號(hào)個(gè)數(shù)），u=0<1.15，認(rèn)為合理，符號(hào)檢驗(yàn)通過。

（2）適線檢驗(yàn)：n=11，不變換符號(hào)“0”次數(shù)為6，變換符號(hào)“1”次數(shù)為4，不變換符號(hào)次數(shù)大于變換符號(hào)次數(shù)，需作檢驗(yàn)。通過計(jì)算得u=0.32<1.96，認(rèn)為合理，適線檢驗(yàn)通過。

（3）偏離數(shù)值檢驗(yàn)：n=11，平均相對(duì)偏離值pˉ=0.45，p的標(biāo)準(zhǔn)差Se=3.75%，pˉ的標(biāo)準(zhǔn)差Spˉ=1.13%，統(tǒng)計(jì)量t=0.39，|t|=0.39<1.73，認(rèn)為合理，偏離數(shù)值檢驗(yàn)通過。

雷達(dá)指標(biāo)流速～實(shí)測(cè)平均流速關(guān)系曲線通過符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求，認(rèn)為定線合理。

4.3 存在問題分析

通過流速儀一點(diǎn)法實(shí)測(cè)流速與側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速分析，一些點(diǎn)子存在較大的誤差，主要原因如下：

（1）因高水漲水過程較少，高水部分比測(cè)資料欠缺。

（2）因受左右兩岸水草和來往船只影響，比測(cè)低水部分一點(diǎn)法數(shù)據(jù)和走航ADCP施測(cè)存在一定困難。

（3）側(cè)掃雷達(dá)安裝后運(yùn)行時(shí)間較短，收集資料樣本不足，下一步將根據(jù)水位變化情況合理布局測(cè)次，按要求進(jìn)行比測(cè)分析。

5 結(jié)論

陽朔水文站的Ridar-200型側(cè)掃雷達(dá)設(shè)備，經(jīng)與流速儀一點(diǎn)法比測(cè)約5個(gè)月，取得了11份可用的比測(cè)成果。通過分析比測(cè)成果，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合較好，進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求，認(rèn)為側(cè)掃雷達(dá)設(shè)備可在陽朔水文站使用。