HST-MRD全自動纜道雷達波測流系統(tǒng)在香屯水文站的適用性分析

摘要：為了驗證HST-MRD全自動纜道雷達波測流系統(tǒng)在香屯水文站的適用情況，通過對比轉子流速儀數(shù)據(jù)與雷達波測速數(shù)據(jù)，建立相關關系，校正雷達波測速數(shù)據(jù)以驗證其精度。結果表明：香屯水文站HST-MRD全自動纜道雷達波測流系統(tǒng)在水面流速0.98～3.26 m/s范圍之內(nèi)的測速平均絕對誤差為0.21 m/s，標準偏差為0.09 m/s，擬合系數(shù)達到0.96，雷達波數(shù)據(jù)與轉子流速儀數(shù)據(jù)相關性好，說明HST-MRD全自動纜道雷達波測流系統(tǒng)可用于香屯水文站。

關鍵詞：HST-MRD全自動纜道雷達波測流系統(tǒng)； 比測分析； 流速測驗； 香屯水文站

中圖法分類號：P332.4文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.003

文章編號：1006-0081（2024）S2-0009-03

0引言

目前，水文監(jiān)測方法正由傳統(tǒng)人工測量向自動測量轉變［1-2］。傳統(tǒng)方法主要依靠人工，一般采用轉子式流速儀、浮標法等測得流速再轉換為流量或走航式ADCP測流等方法。這樣不僅效率低、精度差，而且在遇到水流急、漂浮物多等復雜水情時難以測量，甚至威脅測量設施安全，尤其是對于中小河流而言［1，3-4］。

隨著雷達波和自動測流系統(tǒng)的發(fā)展，可實現(xiàn)無人值守下的流量自動測量，不僅工作效率高，高洪時流量測驗的時效性、安全性也更強［1］。纜道雷達波測流設備是利用多普勒效應原理，以非接觸方式測量水面流速的一種新型測流儀器。該儀器采用遠距離非接觸方法測量水面流速，測量時不受水中含沙量，漂浮物，氣候等影響，特別適宜于夾帶污物的排水、高洪和含沙量很大的湍急河流的流速測量。該設備已在青海、山西、四川、廣東、云南等地區(qū)多個水文站投入使用［5-7］。

香屯水文站為國家重要水文站，目前該站主要依靠人工使用轉子流速儀測量。為了提高該站流量測量的時效性和安全性，達到無人值守、自動測量的目的，本文對HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)在香屯水文站的適用性進行分析。

1研究區(qū)域概況

香屯站（東經(jīng)117°32′08″，北緯29°00′00″）設立于1956年10月，位于樂安河上中游，地處江西省德興市香屯街道香屯村，集水面積3 893 km2，站上設有雙纜道。測驗項目有降水量、水位、流量、輸沙率、水溫、水質。流量測驗為一類精度，泥沙測驗為二類精度。香屯站具有資料收集、水文情報預報、水資源管理、水質監(jiān)測和水土保持等功能。

香屯水文站測驗河段順直，上游330 m有公路大橋一座，上游2 km右岸處有賦春水匯入，下游300 m處右岸有仙溪水匯入，下游1 600 m有一淺灘，再下2 100 m處有急灣深潭。測驗斷面呈U形，左岸為灘地、山體，右岸有站房和民居，地勢較高。河床由泥沙、卵石組成，較穩(wěn)定，沒有岔流、串溝、回流情況。水位流量關系主要受洪水漲落影響，中高水位呈繩套曲線。

測驗河段洪水主要源于暴雨，多發(fā)生在4～7月，且由于斷面以上流域支流眾多，山溪縱坡陡峻，具有歷時短、匯流快、洪峰尖高等特點，其洪水峰型為單峰或者復峰類型，單峰與復峰洪水出現(xiàn)的概率大致相等。該區(qū)域從暴雨到洪水發(fā)生只有十幾個小時，中小洪水歷時一般為3～5 d，大洪水為5～8 d。

2HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)

廣州和時通電子科技有限公司生產(chǎn)的HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)（圖1）適用于中高流速及洪澇下的河流流量測驗工作。系統(tǒng)安裝于現(xiàn)有水文纜道，只需簡單固定即可測驗，緊急時還可作為手持雷達測流系統(tǒng)使用，配套操控軟件，能方便完成測流任務。利用水文站現(xiàn)有水文纜道，將系統(tǒng)硬件安裝于鉛魚、吊箱等運動物體進行測量，起點距沿用水文站實際斷面資料，不改變原有的纜道驅動形式和控制形式，配合計算機、軟件、電臺等組成流量自動測量系統(tǒng)。主要技術指標見表1。HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)采用一體化設計，測控系統(tǒng)軟件包括單機版、網(wǎng)絡版、手機小程序等，軟件可實時更新測流垂線高度，以便調(diào)整鉛魚高度獲取更好的流量數(shù)據(jù)，還可導出歷史數(shù)據(jù)，整編出符合水文規(guī)范的報表。

2.1測流基本原理

HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)通過雷達波天線向水面發(fā)射約24 GHz頻率的一束雷達波，部分電磁波能量折射入水中，一小部分能量被水面反射回來，由于接收到的回波頻率相對于發(fā)射頻率有一定偏移，由多普勒頻率方程可求得水面流速。通過雷達波傳感器得到測量數(shù)據(jù)，通過傾角傳感器自動測量俯角數(shù)據(jù)，通過短波電臺和通訊接口將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，通過軟件濾波分析計算出水流表面的流速。測流基本原理見圖2。

2.2比測資料收集

本研究使用2024年6～7月實測數(shù)據(jù)，同時使用HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)和轉子流速儀同步測量，總計進行流速比測112次。由于比測站點香屯水文站起點距30.0 m和210.0 m處流速較小且流態(tài)紊亂，導致鉛魚無法固定，雷達波在施測流速期間擺動較大，與流速儀流速相比明顯存在數(shù)據(jù)異常，因此在數(shù)據(jù)率定期間將近岸且明顯異常數(shù)據(jù)分析后，舍棄10次比測數(shù)據(jù)，參與數(shù)據(jù)率定樣本總數(shù)為102樣次。

3結果與討論

3.1測點垂線流速趨勢分析

HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)與流速儀施測流量各3次，點繪各垂線位置測點流速分布（圖3）。由圖3可知，纜道雷達波法施測的各垂線位置測點流速與流速儀法各測點流速趨勢基本一致，相近水位各測點流速數(shù)值也相近，可以判定纜道雷達波法施測的各垂線測點流速與纜道流速儀法施測的各測點流速趨勢一致且所測流速數(shù)值大致一樣。

3.2測點流速相關性分析

轉子流速儀測得流速及HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)測得流速關系如圖4所示。結果表明，HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)與轉子流速儀測得流速擬合度較高，線性相關性較好，R2達到0.962 4。香屯水文站HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)流速x與轉子流速儀流速y轉換公式見式（1）。通過該公式，在實際測量中可對雷達波流速進行校正。

y=1.0551x+0.0269（1）

3.3測速精度分析

統(tǒng)計香屯水文站102個同步測速數(shù)據(jù)，得到HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)流速與轉子流速儀流速偏差情況，見表2。比測數(shù)據(jù)流速范圍為0.98～3.26 m/s，相對誤差均低于10%。纜道雷達波校正后流速與流速儀流速的相對誤差最大為8.35%，平均絕對誤差為0.21 m/s，75%的數(shù)據(jù)偏差在4.95%以內(nèi)，表明雷達波與流速儀所測得流速較為一致，誤差較小。標準偏差為0.09 m/s，表明雷達波與流速儀測得流速誤差較為穩(wěn)定，波動較小。根據(jù)圖5雷達波與流速儀測速對比情況可以看出，在流速較大時，雷達波與流速儀測速結果誤差增加，總體趨勢一致，吻合度較高。HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)測速經(jīng)過校正，高流速時誤差增加，但總體誤差較小，滿足實際測量需求。

4結論

本文對HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)在香屯水文站的適用性進行了分析，得出HST-MRD纜道雷達波測流系統(tǒng)與轉子流速儀測驗結果高度一致，相關性好，而且較為穩(wěn)定，水面流速為0.98～3.26 m/s時可以應用于香屯水文站，同時提出以下建議。

（1） 采用纜道雷達波法施測測點流速應密切注意外界條件對儀器的影響，發(fā)現(xiàn)回波測試信號強度不滿足要求時，不可采用纜道雷達波法測驗。

（2） 纜道雷達波測速受鉛魚擺動影響較大，測量期間要注意等待鉛魚晃動幅度小后再開始測量。

（3） 每年應同步進行1～3次儀器比測，確保雷達波探頭未衰減、可正常作業(yè)，驗證儀器數(shù)據(jù)的精度及可靠性。

（4） 需要不斷同步收集纜道流速儀流量與纜道雷達波法測驗資料及其使用的垂線測速范圍，積累資料驗證儀器數(shù)據(jù)的準確性與可靠性。

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（編輯：江文）