側掃雷達在線流量監(jiān)測系統(tǒng)在金沙江石鼓水文站的應用

勾晶晶，裴勝義

（長江上游水文水資源勘測局攀枝花分局，四川 攀枝花 617000）

1 測站特性

石鼓水文站始建于1939 年2 月，由長江水利委員會領導，為長江上游干流控制站，位于云南省麗江市石鼓鎮(zhèn)大同村，東經(jīng)99°56′，北緯26°54′，集水面積為214 184 km2，距河口距離4 175 km。為控制金沙江干流上游河段水情，以及認識河流水文特性而建立的一類精度流量站、一類精度泥沙站，屬國家基本水文站，現(xiàn)有水位、流量、單樣含沙量、懸移質輸沙率、顆分、降水、蒸發(fā)、地下水水位、地下水水溫、水質分析等測驗項目。

2 儀器主要技術指標和運行方式

石鼓水文站使用南京微脈科斯電子科技有限責任公司自主研發(fā)的Ridar-200 型側掃雷達設備，該設備采用非接觸式測流技術，利用水體對電磁波的反射（或散射）來發(fā)現(xiàn)目標并測定其位置和速度，對河流表面流場、網(wǎng)格點流速實現(xiàn)“多點同時”全天候連續(xù)監(jiān)測。水文基礎數(shù)據(jù)通用平臺將接收到的基礎數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，同時根據(jù)相關的水位值、斷面資料及流速比等數(shù)據(jù)信息進行網(wǎng)絡流量合成，為測站提供數(shù)據(jù)接收、存儲處理及成果瀏覽等工作[1]。系統(tǒng)主要技術指標如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要技術指標[2]

表1 （續(xù)）

3 雷達測流比測及分析

3.1 資料收集情況

按照GB 50179—2015《河流流量測驗規(guī)范》中第4.1.2 條規(guī)定，本站采用側掃雷達測流系統(tǒng)在高、中、低不同水位級下與流速儀同步進行比測。通過與實測流量進行分析確定側掃雷達測流系統(tǒng)應采用計算參數(shù)，再分析雷達流量和流速儀定線流量之間的誤差關系，分析儀器在石鼓站的適用條件和使用范圍[3]。

按照GB 50179—2015《河流流量測驗規(guī)范》中第4.1.2 條規(guī)定，本站采用側掃雷達測流系統(tǒng)在高、中不同水位（或者流量）級下與流速儀同步進行比測。

3.2 資料分析情況

本次分析在收集側掃雷達測流資料基礎上應用雷達流量與水位關系分析了解總體狀態(tài)，分析相同水位下雷達實測流量穩(wěn)定性，再確定分析范圍、分析方法（線性關系、多項式關系）以及計算樣本系統(tǒng)誤差、隨機不確定度，評估其還原性，最后確定最優(yōu)本雷達測流系統(tǒng)虛流量換算斷面流量的適用公式。

側掃雷達流量數(shù)據(jù)經(jīng)過多次與廠商溝通現(xiàn)在已經(jīng)基本與水文計算方法一致，可以用于推流計算，斷面實際起點距公式為D=側掃雷達起點距－49.5+17，左右水邊為實測，起點距高程根據(jù)已知起點距插補而來，經(jīng)過計算無誤。

側掃雷達所用斷面數(shù)據(jù)為石鼓站測斷面數(shù)據(jù)及時更新替換，所用水位數(shù)據(jù)為臨近5 min 數(shù)據(jù)，偶爾會有傳輸不及時的，采用前5 min 數(shù)據(jù)。鑒于石鼓站水位比較穩(wěn)定，對流量成果無影響。

下面推流計算中側掃雷達流量推求日平均流量均是采用連實測流量法推流計算。

3.2.1 側掃雷達流量與實測流量在相同水位的穩(wěn)定性

對側掃雷達實測流量連續(xù)系列資料進行水位排序，分析相同水位所測流量的穩(wěn)定性，從而可以分析側掃雷達測流的穩(wěn)定性，可以看出水位1 820～1 823.46 m 誤差基本都在±3%以內(nèi)，從而得出側掃雷達系統(tǒng)測流比較穩(wěn)定。

3.2.2 側掃雷達測流系統(tǒng)與流速儀實測流量系列關系（單一線1 820 m 以上）

考慮到側掃雷達測流系統(tǒng)與流速儀流量線性關系良好，分別建立兩者間線性關系及多項式關系（采用一部分實測流量與一部分整編定線水位流量），在這2種關系之間進行甄選。

3.2.2.1 線性關系

側掃雷達流量與流速儀流量線性關系分析如圖1所示。

圖1 側掃雷達流量與流速儀流量線性關系分析圖

經(jīng)建立相關圖可以看到，側掃雷達流量與流速儀流量公式為Q常=0.921 3Q雷，顯著性達0.995，線性關系良好。

3.2.2.2 多項式關系

側掃雷達流量與流速儀流量多項式關系分析如圖2 所示。

圖2 側掃雷達流量與流速儀流量多項式關系分析圖

3.2.3 2 種方法的還原性誤差

還原性分析采用分析出的線性公式及多項式公式雷達虛流量31 次，再與流速儀定線流量比較誤差。雷達線性關系系數(shù)還原誤差分析如表2 所示。雷達多項式還原誤差分析如表3 所示。

表2 雷達線性關系系數(shù)還原誤差分析（Q 斷=0.921 3Q 雷）

表3 雷達多項式還原誤差分析（Q 斷=0.000 000+0.909 6Q 雷）

表3 雷達多項式還原誤差分析（Q 斷=0.000 000+0.909 6Q 雷）

分析測次/次系統(tǒng)誤差E B置信水平95%的綜合不確定度系統(tǒng)偏差∑（流量誤差）/n∑（誤差－E）2 2[B/（n－1）0.5] ∑|流量誤差|/n 31 1.03 30.95 2.03 0.90統(tǒng)計比測水位范圍/m 1 819.95～1 823.48 最大偶然偏差比測流量范圍/（m3·s-1）1 640～5 190 1.18比測數(shù)據(jù)月份 2021 年6 月至2021 年10 月

側掃雷達流量線性公式及多項式公式換算的斷面流量與流速儀線上流量誤差從表中得出多項式公式各項誤差與線性公式誤差幾乎接近。

3.2.4 比測分析結論

通過使用上述多種方式方法進行對比分析，采用側掃雷達多項式定線與線性關系系數(shù)推求的2021-06-21—2021-10-25 的日平均流量與整編成果誤差未超過4%占比高達100%，2 種方法的誤差與定線整編誤差、還原性分析誤差幾乎接近，只是在用2 種方法推求日平均流量時，多項式平均誤差為0.20%，線性關系誤差為0.61%，多項式誤差明顯小于線性關系，確定該雷達測流系統(tǒng)比測分析的多項式關系較優(yōu)，線性公式為Q常=3E－06Q雷2+0.909 6Q雷，顯著性達0.995 1，線性關系良好。可以在1 820～1 823.42 m 水位級以上使用，且數(shù)據(jù)成果可用于整編，完全能夠滿足報汛要求。

整編方法建議采用連實測流量法進行整編，及時驗證與修正系數(shù)，多收集數(shù)據(jù)、積極研究1 820.00 m以下投產(chǎn)比測方案。水位流量關系呈繩套關系時應具體分析分線時機，注意驗證，并及時更換相關系數(shù)。

4 結論

石鼓水文站的Ridar-200 型側掃雷達設備，經(jīng)與流速儀法比測約7 個月，取得了31 份可用的比測成果。通過分析比測成果，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合較好，進行日平均流量比較、偏離數(shù)值檢驗，結果均滿足相關規(guī)范要求，認為側掃雷達設備可在石鼓水文站使用。