靖西水文站固定式雷達測流比測率定分析

蘭美標(biāo)，韋世鳳

（百色水文中心靖西水文中心站，廣西 靖西 533800）

1 測站概況

龍?zhí)逗泳肝魉恼驹O(shè)立于2012年，位于靖西市新靖鎮(zhèn)五隆村，流域集水面積504 km2，流域內(nèi)主要支流有龐凌河、龍?zhí)逗?，屬珠江流域西江水系左江上游黑水河支流的城?zhèn)專用水文站，流量測驗三類精度站（巡測站）。

（1）測驗斷面情況。該站測流斷面河道順直，斷面河床為砂卵石，左岸為混泥土防洪堤，右岸為農(nóng)田。高洪水位時右岸較容易沖刷，形狀呈“U”型，洪水期略有沖淤但影響不大，無水草生成。斷面上游5 km 處有生活飲用水和農(nóng)田灌溉水源的龍?zhí)端畮?，下游無建筑物，無斷面遷移情況，流量測驗上游30 m處受錦繡古鎮(zhèn)二期建設(shè)橋梁圍堰影響較大，流速左右岸擺動。固定式雷達測流系統(tǒng)斷面與基本水尺斷面兼流速儀斷面位置重合，中泓水位以上流速跟斷面平均流速相關(guān)密切，代表性強，因探頭安裝在左岸11.0 m處，低水位基本無流速，中水位以上流速才比較正常。所處河道常年基本穩(wěn)定，斷面面積變化率很小，均在±3%左右，斷面穩(wěn)定、控制良好。

（2）水文特征。自建站以來，龍?zhí)逗泳肝魉恼緦崪y最高水位733.22 m，最低水位731.13 m；實測最大流量114 m3/s，最小流量0.325 m3/s；實測最大流速約1.58 m/s。

2 設(shè)備引進和安裝調(diào)試情況

（1）設(shè)備引進。該站及河道條件所限，一直采用走航式ADCP測流，自動化水平較低。為此，該站于2019 年11 月引進了固定式雷達測流系統(tǒng)，旨在解決中高水自動測流問題，同時通過非接觸測流方式，進一步提升中高水及超標(biāo)洪水測驗的安全性。固定式雷達測流系統(tǒng)主機型號為RD-200，波段范圍（K波段，24 GHz），測速范圍0.03～20 m/s，測速精度±0.01 m/s。該固定式測流系統(tǒng)主要有測速儀主機、RTU、傳感器、減壓閥、電纜、安裝支架等組成。

（2）安裝調(diào)試。固定式雷達測流系統(tǒng)于2019年11月安裝完成并通過驗收，儀器固定安裝在基本斷面水位臺邊上，高程736.50 m（超過100 a 一遇洪水），雷達波探頭面垂直水面，位于基本水尺斷面兼流速儀測流斷面測速垂線11.0 m處，安裝水平角度0°，豎直角度（俯角）54.87°。

3 流速率定

3.1 率定目的

靖西水文站固定式雷達法（單探頭），實質(zhì)上是利用多普勒效應(yīng)，以雷達測速探頭測驗中泓垂線的水面流速，即雷達虛流速Vi，還無法直接推算出實時流量。必須通過收集資料、率定分析等技術(shù)環(huán)節(jié)，獲得雷達虛流速Vi與斷面平均流速Vm相關(guān)關(guān)系，并利用實時水位、水位與過水?dāng)嗝婷娣e關(guān)系，進而現(xiàn)實推求實時流量過程的目的。同時，通過試運行與率定分析，還可進一步論證的自動監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可行性，從而真正意義解決本站中高水非接觸流量測驗問題。

3.2 率定方法

利用固定式雷達自動監(jiān)測系統(tǒng)測量雷達，數(shù)據(jù)采集頻次為5 min/次；采用走航式ADCP 等方法測定同步斷面平均流速Vm。經(jīng)過多次同步測驗后，形成一系列相關(guān)關(guān)系點據(jù)，點據(jù)達到一定數(shù)量時，即時開展Vi～Vm流速關(guān)系率定分析工作。

3.3 率定過程

2020 年4～9 月期間，共收集16 份中高水位級率定成果（見表1），率定水位范圍731.62～732.67 m，雷達虛流速范圍0.29～1.02 m/s，率定水位變幅占測站歷年實測水位變幅的50.2%。

表1 靖西水文站實測流量成果表

4 比測率定結(jié)果分析

4.1 率定結(jié)果

根據(jù)表1，點繪雷達虛流速Vi～ADCP平均流速Vm關(guān)系圖（見圖1）。從圖1可見關(guān)系點據(jù)呈明顯帶狀分布，規(guī)律性較好，呈直線趨勢，兩者相關(guān)系數(shù)R為0.9 679，相關(guān)關(guān)系密切。率定結(jié)果為y=0.8 829x+0.0 177。

圖1 走航式ADCP平均流速～固定式雷達指標(biāo)流速關(guān)系圖

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)率定成果推算相應(yīng)線上流速，經(jīng)三大檢驗，計算得標(biāo)準(zhǔn)差為8.3%，隨機不確定度為16.6%，系統(tǒng)誤差為0.45%。依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）有關(guān)規(guī)定，檢驗結(jié)果均滿足規(guī)范精度要求。檢驗結(jié)果見表2。

表2 水位流量關(guān)系曲線檢驗計算表

4.3 存在問題分析

（1）由于2020 年雨水較少，水位變幅較小，水位沒有達到高水，造成高水無法比測，本次率定分析主要在731.62～732.67 m 水位范圍內(nèi)，且關(guān)系點據(jù)較少，不足30個實測點。

（2）下一步將根據(jù)水情情況，繼續(xù)加強流速關(guān)系空白區(qū)，尤其是水位732.67 m以上點據(jù)的收集與率定分析工作。

（3）固定式雷達測流系統(tǒng)對低水部分不太適用，尤其是在流速小于0.3 m/s 時（相當(dāng)于雷達監(jiān)測系統(tǒng)啟動流速），測流精度明顯下降。

（4）當(dāng)前信息軟件系統(tǒng)在實時數(shù)據(jù)整理、整編方面功能偏弱，建議按照《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）要求，生成可直接下載用于資料整編水位、流量、時間等格式，便于中心站人員開展日常資料整編工作。

5 結(jié)論

靖西水文站固定式雷達表面流速的準(zhǔn)確性與走航式ADCP表面流速在中泓水位橫向分布基本一致，水位流量關(guān)系線的適線檢驗、符號檢驗、偏離數(shù)值均合格，隨機不確定符合規(guī)范要求，固定式雷達自動監(jiān)測系統(tǒng)可以在龍?zhí)逗泳肝魉恼臼褂谩?/p>