東至（二）水文站側(cè)掃雷達(dá)比測分析

張若野

（安徽安慶水文水資源局,安徽 安慶 246000）

1 測流概況

1.1 測站特性

東至（二）水文站位于安徽省池州市東至縣堯渡鎮(zhèn)樟樹村。東至（二）水文站于1958年6 月設(shè)立,原名為至德站,1972年改稱東至站,2001年1 月由堯渡鎮(zhèn)金家湖村下遷4 km 至堯渡鎮(zhèn)汪廟村,改稱東至（二）站,控制面積由原451 km2變?yōu)?58 km2。為皖南山區(qū)200 km2~500 km2代表站,國家基本站、省級重要站、二類精度站,具有防汛抗旱、水資源管理、水質(zhì)監(jiān)測、墑情監(jiān)測、地下水監(jiān)測等功能。工作任務(wù)包括降水、蒸發(fā)、水位、流量、水質(zhì)、墑情、水文調(diào)查等。

本站測驗河段較順直,河床為巖石組成,穩(wěn)定無分流,基本水尺斷面為梯形,水面寬變幅100 m~180 m。測驗斷面左岸為206 國道,右岸為護(hù)城堤?；舅邤嗝嫔嫌?42 m 處有一公路橋,高水期間河道漂浮物過多或纜道不能正常運行時,采用在公路橋上電波流速儀施測流量；上游3.0 km 處有一蓄水發(fā)電站,蓄水壩壩頂高20.03 m。下游3.8 km 處有一橡膠充氣壩,對測站起低水控制作用。

1.2 雷達(dá)安裝位置

側(cè)掃雷達(dá)在本站的安裝地點為岸邊,水泥澆筑基礎(chǔ),見圖1,供電方式為交流220 V 轉(zhuǎn)直流12 V,安裝位置的高程為22 m。

2 比測數(shù)據(jù)說明

2.1 數(shù)據(jù)來源

此次比測使用數(shù)據(jù)來源于2021年3 月1 日13 時~2022年8 月25 日15 時期間側(cè)掃雷達(dá)運行數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)初步分析

側(cè)掃雷達(dá)數(shù)據(jù)于2021年3 月1 日13 時~2022年8 月25 日15 時期間,在202年3 月17 日 13:08,水位為17.83 m,出現(xiàn)最大流量,最大流量為1175 m3/s,對應(yīng)平均流速為2.67 m/s,在2021年8 月8 日 16∶30，水位為14.4 m，出現(xiàn)最小流量為3.06 m3/s，對應(yīng)平均流速為0.23 m/s,雷達(dá)在測流期間水位動態(tài)范圍見圖2。

圖2 水位動態(tài)范圍圖

2.3 數(shù)據(jù)完整度

實時數(shù)據(jù)完整率為實際接收數(shù)據(jù)數(shù)量與預(yù)期數(shù)據(jù)接收數(shù)量的比值,表示了實時數(shù)據(jù)是否完整。本次側(cè)掃雷達(dá)數(shù)據(jù)提供了10 min 平均值統(tǒng)計數(shù)據(jù),每10 min 包含20 個測距段,各測距段的數(shù)據(jù)量、完整率見表1。

探測距離/m 實際數(shù)據(jù)量/個 預(yù)期數(shù)據(jù)量/個 完整率/%12 69443 76764 90.46 22 69443 76764 90.46 32 69443 76764 90.46 42 69443 76764 90.46 52 69443 76764 90.46 62 69443 76764 90.46 72 69443 76764 90.46 82 69443 76764 90.46 92 69443 76764 90.46 102 69443 76764 90.46 112 69443 76764 90.46 122 69443 76764 90.46 132 69443 76764 90.46 142 69443 76764 90.46 152 69443 76764 90.46 162 69443 76764 90.46 172 69443 76764 90.46 182 69443 76764 90.46 192 69443 76764 90.46 202 69443 76764 90.46

2.4 數(shù)據(jù)缺測說明

側(cè)掃雷達(dá)在實際運行過程中會受到外部環(huán)境（水文站斷電、人工調(diào)試）以及內(nèi)部環(huán)境（路由傳輸）等影響,導(dǎo)致雷達(dá)出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計分析,東至站共缺失7321 組數(shù)據(jù),均非單一時段缺失數(shù)據(jù),為傳輸不穩(wěn)定導(dǎo)致以及斷電所致。

3 測掃雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

3.1 流量計算方法說明

側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)軟件利用流速面積法進(jìn)行斷面流量的計算,依據(jù)布拉格散射和多普勒原理得到各距離段表面流速分布,加上已知的河流橫截面及根據(jù)測站自記水位計查得相應(yīng)水位,從而算出河流流量。側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)的默認(rèn)水面系數(shù)設(shè)置為“1”。采用《河流流量測驗規(guī)范》均勻浮標(biāo)法的流量計算方法,把實測表面流速當(dāng)做浮標(biāo)流速,逐條測段累加：部分平均流速、部分面積、部分流量。斷面流量的計算方法與流速儀法測流計算方法相同。具體計算公式如下。

式中：Q為雷達(dá)流量；

3.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)篩選

2021年3 月1 日13 時~2022年8 月25 日15 時 期 間,側(cè)掃雷達(dá)有效數(shù)據(jù)共69443 條,無效數(shù)據(jù)7321 條（因設(shè)備調(diào)試,狀態(tài)調(diào)整,斷電等原因）,數(shù)據(jù)到達(dá)率為90.46%。另外,統(tǒng)計同一時間段不同探測距離信號強(qiáng)度,依據(jù)河流斷面最深處信噪比為參考,信號強(qiáng)度小于80%數(shù)據(jù),應(yīng)給予剔除,剔除后數(shù)據(jù)占比為91.49%。信號強(qiáng)度分布見圖3。

3.3 雷達(dá)數(shù)據(jù)成果

3.3.1 過流面積分析

選用2021年3 月1 日13 時~ 2022年8 月25 日15 時期間共69443 組自動測流實測數(shù)據(jù),繪制水位過流面積見圖4,可以看出,Z~A 關(guān)系曲線近似于一條直線。

3.3.2 流量成果

本報 告 選用2021年3 月1 日13 時~2022年8 月25 日15 時期間共69443 組數(shù)據(jù)繪制雷達(dá)流量散點圖,見圖5。從水位流量散點圖可以分析出,低水下因受橡膠壩蓄水頂托影響,流量分布較為離散,洪峰時出現(xiàn)繩套型水位流量關(guān)系曲線。

3.3.3 流速成果

考慮到流量計算結(jié)果受流速的影響,需進(jìn)一步對流速分布及可信度進(jìn)行分析,從大斷面圖可以看出,左岸（近端）,右岸（遠(yuǎn)端）為防洪堤,見圖6。從圖7 雷達(dá)流速分布圖可以看出,在近半年的水位最大流速出現(xiàn)在80 m 處,參考大斷面圖可以看出,該條河流的最深處大約在40 m~140 m 左右,與現(xiàn)場實際情況相符。

圖6 大斷面圖

圖7 雷達(dá)流速分布圖

參照雷達(dá)水位流量散點圖,對水位流速關(guān)系進(jìn)行分析,結(jié)果見圖8,從圖中可以看出,流速水位關(guān)系基本與流量水位關(guān)系一致,符合實際情況。

圖8 水位流速散點圖

4 比測數(shù)據(jù)分析

選取人工測流時段雷達(dá)流量均值比對,采取回歸方法進(jìn)行率定,建立兩種測驗方法的流量相關(guān)關(guān)系,繪制流量關(guān)系曲線,最終確定待率定測流系統(tǒng)相關(guān)方程式（系數(shù)）,以達(dá)到推求流量過程的目的[1]。

側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)的水面系數(shù)設(shè)置為“1”。采用《河流流量測驗規(guī)范》均勻浮標(biāo)法的流量計算方法,把實測表面流速當(dāng)做浮標(biāo)流速,逐條測段累加,包括部分平均流速、部分面積、部分流量。斷面流量的計算方法與流速儀法測流計算方法相同。

具體比測方法：根據(jù)測站每次測驗的起始時間、結(jié)束時間,選取對應(yīng)時間內(nèi)側(cè)掃雷達(dá)所有測次的流量均值進(jìn)行比測。利用線性回歸分析方法建立流量關(guān)系模型,通過比較各模型可決系數(shù)（R2）,判斷最優(yōu)雷達(dá)虛流量與斷面流量關(guān)系方程式（系數(shù)）,最終根據(jù)水文整編資料規(guī)范相關(guān)要求,以人工測得流量作為真實值,計算率定后雷達(dá)流量得系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)不確定度,檢驗?zāi)Ｐ途取?/p>

4.1 人工實測數(shù)據(jù)選取

（1）資料收集的時間范圍

從2021年5 月10 日00∶00 至2022年8 月17 日9∶00。

（2）資料收集的水位、流量及代表性

考慮到測站存在頂托回水情形,雷達(dá)在低流量,低流速測驗誤差較大,達(dá)不到比測要求,選用人工實測流量數(shù)據(jù)大于50 m3/s 進(jìn)行比對分析,共計53 組。

4.2 雷達(dá)比測數(shù)據(jù)選取

1）資料收集的時間范圍。從2021年3 月1 日13∶00 至2021年8 月25 日15∶00。

2）資料收集的水位、流量及代表性。全部69443 組雷達(dá)實測測流數(shù)據(jù),涵蓋低、中、高水位。

4.3 比測分析

選取人工實測對應(yīng)時間側(cè)掃雷達(dá)測流均值,兩者比測系統(tǒng)誤差為26.49%。從圖9、圖10 可以明顯看出,雷達(dá)測得流量與人工測得流量整體趨勢吻合,但是雷達(dá)測得流量偏大,因為雷達(dá)測得為表面流速,與實際情況相符。雷達(dá)測得虛流量需進(jìn)一步率定。

圖9 水位流量散點圖（率定前）

圖10 流量對比折線圖（率定前）

4.3.1 雷達(dá)成果數(shù)據(jù)關(guān)系率定

考慮到側(cè)掃雷達(dá)實測虛流量為河流表面流量,相較斷面流量偏大,故需對側(cè)掃雷達(dá)實測數(shù)據(jù)進(jìn)一步率定。取東至站人工測得斷面流量與對應(yīng)雷達(dá)虛流量建立線性回歸關(guān)系模型,率定結(jié)果見圖11。從率定結(jié)果可以得出,雷達(dá)和人工實測率定系數(shù)為Q率定= 0.8111Q雷達(dá)-4.007,擬合度為0.998,兩者相關(guān)性較高。雷達(dá)與人工水位流量散點和折線圖見圖12、圖13,可以看雷達(dá)率定以后,與人工實測基本吻合,相對誤差穩(wěn)定在5%左右。

圖11 水位流量擬合圖

圖12 水位流量散點圖（率定后）

圖13 流量對比折線圖（率定后）

4.3.2 誤差評價

根據(jù)中華人民共和國《河流流量測驗規(guī)范》2.4 章節(jié)中關(guān)系曲線檢驗標(biāo)準(zhǔn)[2],對側(cè)掃雷達(dá)關(guān)系曲線分別做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗。計算其與東至站實測流量的相對誤差,用系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度來進(jìn)行誤差評價,計算公式如下：

隨機(jī)不確定度：X'Q=2Se

式中：Qi為側(cè)掃雷達(dá)率定流量；Qci為東至站實測流量。

根據(jù)以上所繪制的關(guān)系曲線,依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》進(jìn)行曲線檢驗,二類精度站單一曲線法系統(tǒng)誤差在±1%以內(nèi),隨機(jī)不確定度在10%以內(nèi)[3]。雷達(dá)系統(tǒng)誤差0.17%,標(biāo)準(zhǔn)差4.53%,隨機(jī)不確定度9.05%,雷達(dá)測得為表面流速,可參照浮標(biāo)法測流定線,隨機(jī)不確定度可增大2%~4%,滿足二類精度站要求。

5 結(jié)論

本文使用2021年3 月~2022年8 月期間雷達(dá)實測數(shù)據(jù)同人工實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比測,得到如下幾點結(jié)論：

1）系數(shù)率定成果?；诂F(xiàn)有數(shù)據(jù)比測,以人工實測為真值,同對應(yīng)時段側(cè)掃雷達(dá)流量均值比測,在流量大于50 m3/s以上時,擬合出關(guān)系線方程為：Q率定=0.8111 Q雷達(dá)-4.007,其中,Q率定為雷達(dá)率定流量,Q雷達(dá)為雷達(dá)虛流量。

2）三項檢驗。雷達(dá)比測系統(tǒng)誤差0.17%,標(biāo)準(zhǔn)差4.53%,隨機(jī)不確定度9.05%,雷達(dá)測得為表面流速,可參照浮標(biāo)法測流定線,隨機(jī)不確定度可增大2%~4%,滿足二類精度站要求。