定安水文站驅(qū)動式雷達(dá)波自動測流系統(tǒng)流量系數(shù)率定分析

楊再勇

（百色水文中心田林水文中心站，廣西 百色 533300）

1 驅(qū)動式雷達(dá)波自動測流系統(tǒng)簡介

（1）系統(tǒng)構(gòu)成。驅(qū)動式雷達(dá)波測流系統(tǒng)是一種非接觸式測流設(shè)備，測流不受河道漂浮物、滾石等影響。系統(tǒng)主要由測站設(shè)備、平臺軟件兩個部分構(gòu)成。測站設(shè)備包括簡易纜道、雷達(dá)測速傳感器、自動行車、測流控制器、太陽能供電系統(tǒng)和水位計等。平臺軟件主要接收測站設(shè)備的數(shù)據(jù)并保存，通過WEB 接口，用戶可查看、下載、分析數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程修改測站參數(shù)、啟動測流設(shè)備進(jìn)行流量測驗。

（2）測流原理。驅(qū)動式雷達(dá)波流速儀是根據(jù)多普勒雷達(dá)測速原理，對水流的表面流速進(jìn)行測量[1]。懸掛于簡易纜道上的自動行車攜帶雷達(dá)波測速傳感器，每天定時沿纜道行走并停到指定的測流垂線上，逐一測量所有垂線的水面流速數(shù)據(jù)后自動返回停泊點，進(jìn)行自動充電。所測流速通過電臺的方式發(fā)送到RTU，并和RTU 采集的水位一起計算，從而得出流量。

（3）功能特點。利用雷達(dá)流速儀自動完成測流斷面各設(shè)定垂線水面流速的自動監(jiān)測。具有采集浮子、雷達(dá)和氣泡式水位計水位信息的功能，可采用定時施測、增量加測、人工加測、低水位停測、低溫停測等模式[2]，全天候（可在雨天、夜間）測流，全自動采集計算，可不直接接觸和擾動（或破壞）水流結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)自動精確監(jiān)測，安全快捷。

2 基本概況

2.1 流域概況

定安水文站所在河流為馱娘江，馱娘江為右江干流的上段，發(fā)源于云南省廣南縣那倫鄉(xiāng)聽弄村，由南向北流，流入西林縣境內(nèi)的土黃村平那屯后，折轉(zhuǎn)自西向東流，貫穿西林縣腹地，在那勞鎮(zhèn)的弄南屯附近出縣境流入田林縣的定安鎮(zhèn)。全長180 km，主要支流有冷平河、西洋江等。流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛。流域洪水由暴雨形成，每年的主要暴雨期4～9 月，6～9 月常出現(xiàn)臺風(fēng)型暴雨。

2.2 測站概況

定安水文站是馱娘江中游流域控制站，位于田林縣定安鎮(zhèn)渭密村，集水面積4424 km2，是國家重要一類基本水文站。該站于1957年設(shè)立，2009年1月1 日把定安（二）站往下搬遷約2 km，改為定安（三）站，2020年1月1日起增加泥沙測驗，目前監(jiān)測水文要素有水位、流量、泥沙、降水量等。洪水來源主要為暴雨洪水，以單峰型呈現(xiàn)，多年流量資料顯示，水位流量關(guān)系相對穩(wěn)定。

定安水文站測驗河段順直、河床穩(wěn)定，主流穩(wěn)定，河槽為“U”型，斷面左岸右岸河床多為卵石及沙土，河床由砂礫石、細(xì)沙組成，河寬在60～70 m之間，沖淤不明顯，河流斷面高水無分流。本站設(shè)有基本水尺斷面兼流速儀測流斷面，基本水尺斷面上下游100 m設(shè)置比降上下斷面。定安水文站驅(qū)動式雷達(dá)波測流系統(tǒng)于2020 年11 月安裝，安裝位置在下比降斷面（流速儀測流斷面下游100 m）。

3 流量比測

3.1 比測儀器

采用驅(qū)動式雷達(dá)波測流系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工測流方法（包括L25-1旋槳式流速儀法及走航式ADCP法）。

3.2 比測方法

根據(jù)流量測驗規(guī)范，轉(zhuǎn)子流速儀在水文測驗斷面根據(jù)事先布設(shè)好的流量測深、測速垂線，借助水文纜道采用LS25-1流速儀一點法（0.6）進(jìn)行流量測驗，測速歷時100 s，基本斷面布設(shè)14 條測深、測速垂線。走航式ADCP 借用基本斷面的纜道采集數(shù)據(jù)。驅(qū)動式雷達(dá)波測流系統(tǒng)借用流速儀斷面水深計算虛流量。由于傳統(tǒng)人工測流方法與驅(qū)動式雷達(dá)波法流量測驗時間同步性不足，先建立傳統(tǒng)人工測流方法實測流量的水位流量關(guān)系曲線，并對關(guān)系曲線進(jìn)行檢驗。根據(jù)驅(qū)動式雷達(dá)波測流方法的平均測驗時間在水情遙測平臺中查出同一時間定安水文站水位數(shù)值，在檢驗合格的關(guān)系曲線上查讀相應(yīng)水位的流量作為比測的傳統(tǒng)人工測流方法實測流量。采用檢驗合格的傳統(tǒng)人工測流方法水位流量關(guān)系曲線上查讀的同時間、同水位級流量與驅(qū)動式雷達(dá)波法實測虛流量進(jìn)行相關(guān)性分析。

3.3 實測數(shù)據(jù)收集、處理

根據(jù)驅(qū)動式雷達(dá)波測流系統(tǒng)的使用條件，傳統(tǒng)人工測流方法選取從2021 年5 月11 日至8 月30 日流速較大的測次，共13 次（其中旋漿式流速儀法9次，走航式ADCP 法4 次），傳統(tǒng)人工測流方法實測流量成果見表1，建立水位流量關(guān)系曲線見圖1，曲線檢驗成果見表2，按驅(qū)動式雷達(dá)波法測驗平均時間的水位查讀的相應(yīng)流量作為比測的傳統(tǒng)人工流量測驗方法實測流量。傳統(tǒng)人工測流方法分析樣本中，實測最高水位382.94 m，對應(yīng)流量164.00 m3/s，實測最低水位381.79 m，對應(yīng)流量31.00 m3/s，實測水位變幅1.15 m。

圖1 定安水文站傳統(tǒng)人工測驗方法實測水位流量關(guān)系曲線

表1 定安水文站傳統(tǒng)人工測流方法實測流量成果表（13組）

依照《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）相關(guān)規(guī)定，一類精度站定線系統(tǒng)誤差≤1%，隨機不確定度≤10%（采用ADCP測流隨機不確定度可增大2%；巡測站定線隨機不確定度可增大2%～4%，故本次分析取隨機不確定度≤10%）。由表2 可知，允許誤差指標(biāo)均滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）要求，可將測驗平均時間的水位查讀的相應(yīng)流量作為比測的傳統(tǒng)人工流量測驗方法實測流量使用。

表2 定安水文站傳統(tǒng)人工測流方法水位流量曲線檢驗計算表

驅(qū)動式雷達(dá)波法在2021 年5 月11 日至8 月30日時段內(nèi)水位級381.79～382.97 m 測流數(shù)據(jù)共322組。按水位級隨機選取22 組雷達(dá)波法實測數(shù)據(jù)并在水情遙測平臺查出同一時間定安水文站水位數(shù)值，根據(jù)檢驗合格的傳統(tǒng)人工流量測驗方法水位流量關(guān)系曲線查讀相應(yīng)水位流量，詳細(xì)資料見表3。

表3 定安水文站驅(qū)動式雷達(dá)波法實測流量成果表（22組）

933 944 924 990 883 872 871 988 870 869 7月28日14：35 7月29日08：00 7月28日0：00 8月15日08：00 7月21日0：00 7月19日08：00 7月19日07：35 8月14日09：30 7月19日06：00 7月19日04：00 1.71 1.70 1.70 1.76 1.79 1.76 1.82 1.80 1.85 1.89 382.37 382.41 382.43 382.49 382.61 382.69 382.77 382.81 382.90 382.95 146.0 148.0 150.0 172.0 177.0 182.0 196.0 203.0 214.0 226.0 382.37 382.41 382.43 382.49 382.61 382.69 382.77 382.81 382.90 382.97 86.6 91.0 93.2 99.8.0 114.0 124.0 133.0 138.0 152.0 162.0 000000000-0.02

4 相關(guān)關(guān)系分析

4.1 水位誤差分析

對隨機選取的22 次雷達(dá)波法測流時的水位值與水情遙測平臺同時間查詢的水位值進(jìn)行比較。水位誤差Δ的絕對值小于等于0.02 m為合格，比較結(jié)果水位差為0.01的有1次，水位差為-0.02 m的有1次，水位差為0的有20次，全部合格。水位誤差對比圖見圖2。

圖2 定安水文站雷達(dá)波法與水情遙測平臺水位誤差對比

4.2 雷達(dá)波法斷面虛流量與傳統(tǒng)方法實測流量的相關(guān)分析

以隨機選取的22 組驅(qū)動式雷達(dá)波法實測的虛流量為橫坐標(biāo)，通過水情遙測平臺查詢與驅(qū)動式雷達(dá)波法實測流量的施測時間相同的水位值，以該水位值在檢驗合格的傳統(tǒng)人工測流方法水位流量關(guān)系曲線上查讀相應(yīng)流量為縱坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系圖（見圖3）。通過對比分析，確定兩種方法流量關(guān)系式為：Q傳統(tǒng)人工=0.0 013Q2雷達(dá)虛＋0.4 293Q雷達(dá)虛－1.9 217。從圖3 可以看出，傳統(tǒng)人工測流方法與驅(qū)動式雷達(dá)波法實測流量點據(jù)呈明顯帶狀分布，規(guī)律性好，無明顯異常突出點據(jù)，相關(guān)系數(shù)R為0.9 951，表明兩者之間相關(guān)關(guān)系非常密切。

圖3 定安水文站傳統(tǒng)人工方法流量與雷達(dá)波法流量相關(guān)關(guān)系圖

4.3 相關(guān)關(guān)系檢驗

通過對22 個樣本容量分析，標(biāo)準(zhǔn)差4.59%，隨機不確定度9.17%，系統(tǒng)誤差0，符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗均滿足相關(guān)規(guī)范對一類精度站的要求[3]。檢驗成果表見表4。

表4 定安水文站比測水位流量關(guān)系曲線檢驗成果表

891 0 805 591 661 822 909 933 944 924 990 883 872 871 988 870 869 382.18 382.19 382.21 382.24 382.28 382.37 382.41 382.43 382.49 382.61 382.69 382.77 382.81 382.90 382.97 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22樣本容量：N=22符號檢驗：u=0.21適線檢驗：偏離數(shù)值檢驗：|t|=0.95標(biāo)準(zhǔn)差：Se=4.59%66.0 67.0 69.2 72.4 76.8 86.6 91.0 93.2 99.8 114.0 124.0 133.0 138.0 152.0 162.0 119.0 121.0 114.0 118.0 128.0 146.0 148.0 150.0 172.0 177.0 182.0 196.0 203.0 214.0 226.0 67.6 69.1 63.9 66.8 74.3 88.5 90.1 91.7 110.4 114.8 119.3 132.2 138.8 149.5 161.5-2.33-2.98 8.27 8.32 3.33-2.11 1.01 1.61-9.58-0.69 3.96 0.63-0.57 1.68 0.31-2.33-2.98 8.27 8.32 3.33-2.11 1.01 1.61-9.58-0.69 3.96 0.63-0.57 1.68 0.31符號交換次數(shù)：11合格5.43 8.87 68.42 69.28 11.06 4.45 1.02 2.59 91.83 0.48 15.71 0.40 0.33 2.83 0.10正號個數(shù)：11允許：1.15（顯著性水平a=0.25）免檢允許：1.06（顯著性水平a=0.30）隨機不確定度：9.17%合格系統(tǒng)誤差：0

5 結(jié)語

通過分析表明定安水文站驅(qū)動式雷達(dá)波測流系統(tǒng)可以投入生產(chǎn)應(yīng)用。率定成果公式使用條件：水位范圍381.79～382.97 m，雷達(dá)虛流速范圍1.18～1.89 m/s。使用期間需加強已率定流量關(guān)系校測工作以及流量關(guān)系適用范圍之外的比測率定分析工作。在水位低、流速小，特別是水面平靜，河流表面波浪較小的情況下驅(qū)動式雷達(dá)波測流系統(tǒng)的流速傳感器難以收集較為準(zhǔn)確的流速，所以低水、流速小的情況下宜使用傳統(tǒng)人工測流方法進(jìn)行流量測驗。