雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)在蘭州水文站的應(yīng)用情況分析

郭西軍

（黃河水利委員會(huì)上游水文水資源局，甘肅 蘭州 730030）

1 蘭州水文站概況

蘭州水文站為國家基本水文站，隸屬于黃河水利委員會(huì)上游水文水資源局，是黃河上游干流的重要控制站和黃河洪水編號(hào)站，設(shè)立于1934年7月18日，位于甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)中山橋下游，集水面積222551 km2。測(cè)驗(yàn)河段順直，長度約800 m，斷面矩形、較為穩(wěn)定，水流自西向東穿城而過，河床由砂卵石組成，水位流量關(guān)系一般為單一曲線，年內(nèi)發(fā)生較大洪水時(shí)表現(xiàn)為漲沖落淤，年際變化表現(xiàn)為大水年份沖刷、小水年份淤積，河道為沖淤動(dòng)態(tài)平衡。

蘭州水文站洪水主要受上游龍羊峽、劉家峽等梯級(jí)水庫聯(lián)合調(diào)度以及湟水水系和附近支流洪水影響，洪峰呈矮胖形，歷時(shí)長，一般發(fā)生在5—9月。泥沙主要來自上游水庫排沙及湟水、莊浪河、雷壇河等支流，多集中在7—8月。一般情況下洪峰沙峰不相對(duì)應(yīng)，支流來沙時(shí)沙峰過程歷時(shí)較短，僅2～3 d或更短。歷年水位流量關(guān)系為單一線。

目前蘭州水文站多采用走航式ADCP、水文纜道、測(cè)船流速儀法測(cè)流。水位漲落較平緩時(shí)采用兩點(diǎn)法、五點(diǎn)法施測(cè)；簡測(cè)法采用0.6一點(diǎn)法施測(cè)；常規(guī)法流量測(cè)驗(yàn)采用旋槳式LS25-3A或LS25-1型流速儀施測(cè)，平均測(cè)驗(yàn)時(shí)間1.3～2.5 h；走航式ADCP測(cè)流時(shí)間為0.5 h左右。流量測(cè)驗(yàn)工作耗時(shí)費(fèi)力，且無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、連續(xù)施測(cè)。為解決這一問題，2017年該站建成了雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)。

2 雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)簡述

2.1 原理

雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)利用目標(biāo)對(duì)電磁波的反射（或散射）現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其位置和速度等信息，雷達(dá)利用接收回波與發(fā)射波的時(shí)間差測(cè)定距離，利用電波傳播的多普勒效應(yīng)測(cè)量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，并利用目標(biāo)回波在各天線通道上的幅度或相位的差異判別其方向。當(dāng)水波移動(dòng)產(chǎn)生相速度和水平移動(dòng)速度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，進(jìn)而分析計(jì)算河流表面不同位置的流速。

在水文站應(yīng)用中，雷達(dá)發(fā)射接收裝置安裝在河岸上，天線主軸垂直于河流，該監(jiān)測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于需要借助渡河設(shè)施的點(diǎn)流速監(jiān)測(cè)技術(shù)。測(cè)流系統(tǒng)利用太陽能供電，最快2 min獲取一組數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間可根據(jù)實(shí)際需要靈活設(shè)置，通過系統(tǒng)配套軟件可實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)，大幅度提高流量測(cè)驗(yàn)效率。

2.2 安裝環(huán)境及技術(shù)指標(biāo)

2.2.1 安裝環(huán)境 河寬：＞30 m；流速：2.5～20 m/s；水深：最小15 cm；水波紋高度：最小2 cm。

2.2.2 天線位置 水平方向：距水面20 m以內(nèi)；垂直方向：高出水面4～20 m；俯視角度：河對(duì)岸到天線與河面的角度＞2°。

2.2.3 技術(shù)指標(biāo) 工作頻率：415 MHz；探測(cè)河面寬度：≤1 km（單臺(tái)）。

2.2.4 環(huán)境要求 工作溫度：室外-10～50℃；設(shè)置溫度：室外-35～65℃。

2.2.5 距離分辨力 測(cè)速范圍：0.05～20 m/s；測(cè)速誤差（均方根誤差）：≤0.01 m/s；速度分辨率：≤0.01 m/s。

3 比測(cè)方法

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，率定參數(shù)，蘭州水文站根據(jù)儀器自身特點(diǎn)、測(cè)站水文特性等制定了詳細(xì)的比測(cè)工作方案。

3.1 流速儀法

蘭州站傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)方法以水文纜道為主，測(cè)船為輔。水勢(shì)平穩(wěn)時(shí)采用水文纜道懸吊旋槳式LS25-3A或LS25-1型流速儀施測(cè)，流量測(cè)驗(yàn)方案采用精測(cè)法、常測(cè)法，并點(diǎn)繪水位—流量關(guān)系曲線。本次采用蘭州站流速儀實(shí)測(cè)流量60次（其中精測(cè)法10次，常測(cè)法50次），建立水位流量關(guān)系線，關(guān)系線單一，定線精度滿足水文資料整編工作要求。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)頻率為10 min/次，每次監(jiān)測(cè)斷面上不同垂線的表面流速，通過配套軟件完成流量數(shù)據(jù)合成計(jì)算。本次采用自2020年7月19日—2021年3月14日期間采集的21727組數(shù)據(jù)。

3.3 流速對(duì)比觀測(cè)

采用流速儀與雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)同步開展水面流速測(cè)驗(yàn)，流速儀法測(cè)速時(shí)間不少于100 s。由于儀器測(cè)速時(shí)間較短，采用流速儀測(cè)速期間，雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)以多次測(cè)速平均值為準(zhǔn)。

3.4 數(shù)據(jù)分析處理

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)瞬時(shí)流量值、日均流量值、月均流量值以及點(diǎn)流量誤差進(jìn)行分析計(jì)算。

3.5 誤差評(píng)價(jià)依據(jù)

根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)規(guī)定，比測(cè)隨機(jī)不確定度一般不超過6%，比測(cè)條件較差的不應(yīng)超過7%；系統(tǒng)誤差一般不超過±1%，條件較差的不應(yīng)超過±2%。

4 比測(cè)資料分析

雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)流量計(jì)算方法與傳統(tǒng)浮標(biāo)法類似，以各條垂線上的表面流速代表垂線流速，根據(jù)流速面積法計(jì)算出斷面虛流量，并根據(jù)不同水位計(jì)確定流量合成系數(shù)K，最終合成斷面流量。

4.1 流量系數(shù)K的確定

實(shí)際分析中，根據(jù)式（1）確定不同水位選定流量合成流量系數(shù)。

從2020年7月19日—9月6日雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)來看，水位變化范圍為1513.22～1513.75 m，相應(yīng)流量為2800～3380 m3/s，共計(jì)2678組數(shù)據(jù)，初步率定不同水位對(duì)應(yīng)流量系數(shù)，繪制點(diǎn)狀圖（圖1），可見流量系數(shù)呈“帶狀”分布，基本為一條平行于Y軸的直線。采用試算法進(jìn)行誤差計(jì)算，當(dāng)系數(shù)K取0.76時(shí)誤差最小，整體誤差符合規(guī)范要求，所以初步確定流量系數(shù)為0.76。

圖1 雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)水位—系數(shù)點(diǎn)狀分布圖

4.2 流量系數(shù)K值驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)選取系數(shù)的適應(yīng)性，選取2020年10月2日—2021年3月14日系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，水位范圍為1509.94～1512.82 m，流量范圍為340～2400 m3/s，采用上述方法率定流量系數(shù)。

從水位、流量合成試驗(yàn)系數(shù)來看，兩者具有一定的線性關(guān)系，流量系數(shù)呈“帶狀”分布（圖2），范圍為0.62～0.90，水位變化對(duì)流量系數(shù)影響不顯著。通過試算，當(dāng)系數(shù)K取0.758時(shí)誤差最小，略小于初步估算值。

圖2 雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)水位—系數(shù)點(diǎn)狀分布圖

4.3 異常數(shù)據(jù)處理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)情況，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。2020年10月26日—11月17日數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變，測(cè)站對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境、水位數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行情況等進(jìn)行詳細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)影響數(shù)據(jù)的異常因素。遂將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至廠家查找原因，經(jīng)分析期間雷達(dá)波信號(hào)大幅減弱，儀器發(fā)射頻率415 MHz，可能附近有警務(wù)信號(hào)、移動(dòng)基站等裝置發(fā)生電磁干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，故予以刪除，并對(duì)設(shè)備發(fā)射頻率進(jìn)行更改。2020年12月19日、23日因采集數(shù)據(jù)不全（部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失），故不參與計(jì)算。刪除異常數(shù)據(jù)后，統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)對(duì)應(yīng)誤差，見表1。

表1 蘭州水文站雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)瞬時(shí)流量誤差統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)果與分析

利用國產(chǎn)雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)在蘭州水文站開展試驗(yàn)研究，在黃河上游測(cè)區(qū)是一種全新的流量測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ教剿?，其研究方法及操作、安裝方式正確，研究過程中根據(jù)試驗(yàn)情況不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，最終使系統(tǒng)達(dá)到了較好的狀態(tài)，資料收集充分，運(yùn)行比較穩(wěn)定。

國產(chǎn)雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)安裝簡便，無需過河設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)對(duì)河流表面流場(chǎng)及網(wǎng)格點(diǎn)流速的連續(xù)監(jiān)測(cè)，能夠提高流量測(cè)驗(yàn)效率。相比同類進(jìn)口設(shè)備（價(jià)格昂貴，核心產(chǎn)品資料不透明）,國產(chǎn)雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

利用蘭州站雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與流速儀法測(cè)流成果（線推流量）率定流量系數(shù)，并進(jìn)行誤差分析。系統(tǒng)成果計(jì)算原理與水面浮標(biāo)法相近，參考《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)均勻浮標(biāo)法測(cè)驗(yàn)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行評(píng)定，成果如下。

瞬時(shí)流量：2020年7月19日—9月6日，水位變化范圍為1513.22～1513.75 m，相應(yīng)流量為2800～3380 m3/s，流量系數(shù)為0.76，測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差5.48%，隨機(jī)不確定度為10.96%，系統(tǒng)誤差為-0.55%。2020年10月2日—2021年3月14日，水位變化范圍為1509.89～1512.84 m，相應(yīng)流量范圍為340～2400 m3/s，流量系數(shù)為0.758，測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差5.99%，隨機(jī)不確定度為11.97%，系統(tǒng)誤差為0.93%。

日均流量：以日均流量值為樣本，算得標(biāo)準(zhǔn)差為4.46%，隨機(jī)不確定度為8.92%，系統(tǒng)誤差為0.09%。

月均流量：以月均流量值為樣本，計(jì)算各月相對(duì)誤差，月均值最大誤差為4.81%，最小誤差為0，平均誤差為0.26%。

從以上分析結(jié)果中可以看出，瞬時(shí)流量受風(fēng)力風(fēng)向、過往船只、儀器自身性能等不確定因素的影響，誤差較大，僅能滿足二類精度站浮標(biāo)法流量測(cè)驗(yàn)要求；日均流量、月均流量因測(cè)驗(yàn)時(shí)間長、測(cè)次多，偶然性誤差相互抵消，具有較好的測(cè)驗(yàn)精度。

6 存在問題

6.1 異常點(diǎn)及突出點(diǎn)的篩選

在實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)存在一定的異常點(diǎn)和突出點(diǎn)，需參考測(cè)站水位流量關(guān)系線在計(jì)算、統(tǒng)計(jì)時(shí)予以修正或刪除。

6.2 近端、遠(yuǎn)端流速處理

對(duì)流速儀與雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)采集的表面流速進(jìn)行分析，雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)在近端（靠近儀器一側(cè)）和遠(yuǎn)端（河對(duì)岸）采集的表面流速相對(duì)誤差較大，但因兩端所占面積、流速值較小，故對(duì)流量計(jì)算結(jié)果的影響不大。

6.3 雷達(dá)波干擾

2020年10月26 日—11月15日，雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)出現(xiàn)雷達(dá)波信號(hào)大幅減弱現(xiàn)象，可能是儀器發(fā)射頻率（415 MHz）與附近警務(wù)信號(hào)、移動(dòng)基站等裝置發(fā)生同頻電磁干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。應(yīng)改變儀器發(fā)射頻率，避免類似情況發(fā)生。

6.4 船只影響

蘭州站測(cè)流河段為通航河段，大多數(shù)異常點(diǎn)出現(xiàn)在白天通航時(shí)段，船只對(duì)系統(tǒng)采集流速值有影響，導(dǎo)致流速出現(xiàn)異常值，影響測(cè)驗(yàn)精度。

6.5 降水及風(fēng)速影響分析

在本次比測(cè)期間，共出現(xiàn)15場(chǎng)降水（雪），最大日降水量為9.2 mm，最大雨強(qiáng)僅0.2 mm/min。經(jīng)觀測(cè)分析，降水對(duì)雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)采集流量值的影響不明顯，或是因?yàn)榻邓畯?qiáng)度較小，對(duì)儀器采集影響不顯著，需要進(jìn)一步進(jìn)行比測(cè)分析。

7 建議

對(duì)系統(tǒng)測(cè)量中存在的異常點(diǎn)、突出點(diǎn)進(jìn)行修正，建議廠家完善相應(yīng)數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)測(cè)站綜合水位—流量關(guān)系線或儀器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析過濾，對(duì)誤差大于±5%（根據(jù)不同水位級(jí)確定）的數(shù)據(jù)進(jìn)行提醒，人工根據(jù)實(shí)際情況修正，并優(yōu)化雷達(dá)發(fā)射頻率，消除過往船只、信號(hào)干擾、大風(fēng)等造成的隨機(jī)誤差，提高流量測(cè)驗(yàn)精度。

應(yīng)用雷達(dá)側(cè)掃測(cè)流系統(tǒng)后，流量測(cè)驗(yàn)資料的整編方式、要求及提交資料的內(nèi)容、格式與傳統(tǒng)流速儀法測(cè)驗(yàn)要求不一致，應(yīng)完善相應(yīng)整匯編工作要求，并建立或完善相應(yīng)操作規(guī)程及使用規(guī)范。

建議在系統(tǒng)軟件中增加水位、流量等日、月、年特征值統(tǒng)計(jì)、格式化輸出功能，便于測(cè)站日常下載應(yīng)用及與整編軟件對(duì)接。