蘇楚雄

（玉林水文中心博白水文中心站，廣西 博白 537600）

1 基本情況

1.1 測站、流域概況

博白水文站處于珠江流域桂南沿海水系南流江流域干流左岸，是流域中游代表控制站，該站位于博白縣博白鎮(zhèn)新仲村，水文站以上集水面積2805 km2，從1953年設(shè)立至今已有60多年歷史。測驗河段基本順直，監(jiān)測斷面水面寬約為80 m，斷面形態(tài)呈“U”形。水位48 m 以下左岸為淺灘，間或有死水。河床為砂質(zhì)卵石，左岸為砂質(zhì)土，右岸為紅砂巖，上游150 m處河道彎曲，下游500 m處河道彎曲并擴展。低水時左岸出現(xiàn)淺灘，主流偏右岸。久旱無雨時，河道水生物較多。

博白水文站測驗項目有降水、蒸發(fā)、水溫、岸溫、水位、比降，流量、含沙量、水質(zhì)監(jiān)測，流量為二類精度站。水位分級為高洪51.5 m 以上，中洪48.5～51.5 m，低洪48.5 m 以下。根據(jù)實測資料結(jié)果得出該站最高水位54.23 m、最低水位45.97 m，最大流量3000 m3/s、最小流量0 m3/s，最大流速為2.63 m/s。多年流量資料顯示，水位流量關(guān)系相對穩(wěn)定。

1.2 雙軌全自動雷達波在線測流系統(tǒng)產(chǎn)品概述

1.2.1 系統(tǒng)原理和組成

雙軌全自動雷達波在線測流系統(tǒng)用于河道流速和流量在線監(jiān)測，根據(jù)設(shè)定時間自動完成測速垂線點流速測量，測試完成后自動進行流量計算；根據(jù)水位漲落幅度設(shè)定，當(dāng)水位漲落幅度超過設(shè)定值時自動完成測速垂線點流速測量，測試完成后自動進行流量計算；遠程實現(xiàn)流速、流量的在線測量。安裝布置見圖1。

圖1 雷達波在線測流系統(tǒng)安裝布置圖

河道流速測量采用雷達流速儀測量，雷達流速儀采用多普勒效應(yīng)原理測流體表面流速。在聲學(xué)領(lǐng)域中，當(dāng)聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對運動時，回聲的頻率將有所變化，這種頻率的變化稱之為頻移，即多普勒效應(yīng)。當(dāng)雷達流速儀與水體以相對速度V發(fā)生對運動時，雷達流速儀所收到的電磁波頻率與雷達自身所發(fā)出的電磁波頻率有所不同，此頻率差稱為多普勒頻移。通過計算雷達發(fā)射固定頻率的電磁波與接收被測流體表面反射回來的電磁波兩者之間的頻率差，經(jīng)過相關(guān)計算得到流體表面的流速。雷達流速儀測量為非接觸測量，可實現(xiàn)全天候在線監(jiān)測。

雷達小車接收到命令后攜帶雷達流速儀到達流速測試點，測出該點流速，將流速數(shù)據(jù)通過無線通信方式發(fā)送給RTU控制器，RTU控制器實時將流速通過DTU設(shè)備發(fā)送到服務(wù)器。

雷達小車測試完成后，RTU 根據(jù)斷面設(shè)置參數(shù)和修正后的流速數(shù)據(jù)（雷達流速儀測試表面流速轉(zhuǎn)換為等效的斷面流速），通過公式Q=SV計算出流量。計算流量通過DTU發(fā)送給服務(wù)端保存和查詢，以及生成相關(guān)報表。

博白水文站雙軌全自動雷達波在線測流系統(tǒng)硬件上由纜道、儀器房、雷達小車、流速儀、RTU 控制箱、充電樁、蓄電池等組成。纜道雙軌雷達小車的運行軌道，垂直橫跨測流河道。纜道為2根，纜道間距為310 mm，纜道長度大約為260 m，纜道采用5 mm不銹鋼鋼纜構(gòu)成。

1.2.2 系統(tǒng)特點

根據(jù)水文發(fā)展趨勢，以及大水文適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，新增站點數(shù)量多，迫使水文測驗走無人值守、遠程遙測、實時在線、測、報、整自動化、通訊網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)層面的大飛躍。本系統(tǒng)就是為解決水文目前存在的站點多且偏僻、交通不便、駐測不現(xiàn)實、巡測時效性不強、人力資源不夠、測驗和整編工作量大等諸多實際問題而開發(fā)的。系統(tǒng)主要有以下十大特點：①非接觸式雷達波是最可靠的高洪測驗手段，不受高流速、大量漂浮物、高含沙量影響，夜間、雨天也能正常測流；②測流方式符合《河流流量測驗規(guī)范》（GB50179-2015）和《水文纜道測驗規(guī)范》（SL443-2009），測流精度在5%左右；③自動行車結(jié)構(gòu)、簡單、可靠、易于維護、更換；④測站整套設(shè)備由太陽能板、蓄電池供電，可維持連續(xù)陰雨30 d 正常工作；⑤測站設(shè)備是一套完整的流量測驗儀器，可獨立工作，當(dāng)GPRS網(wǎng)絡(luò)中斷時，測站人員可到現(xiàn)場操作，完成測驗任務(wù)，獲得流量數(shù)據(jù)；⑥彩色觸摸屏界面簡單易用，無需計算機即可實現(xiàn)流量測驗全部操作，適合基層測站人員；⑦可配備ADCP 專用測流纜道，手動、電動雙工操作，方便與ADCP比測，試驗表面流速系數(shù)；⑧基于互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)管理平合，水文中心和相關(guān)部門用戶可在任何時候、任何地點上網(wǎng)查看數(shù)據(jù)；⑨基于水文站測驗業(yè)務(wù)開發(fā)的中心水文站軟件，可按《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）進行測驗數(shù)據(jù)分析、整編預(yù)處理，與整編軟件無縫銜接，直接出符合水文整編成果報表；⑩所有測驗數(shù)據(jù)保存于測站測流控制器，區(qū)（市）中心服務(wù)器和中心水文站計算機主處物理地址，互為備份。

2 比測目的和內(nèi)容

博白水文站發(fā)生大洪水時，主河道漂浮物較多，采用常規(guī)流速儀測驗方法及走航式ADCP 測驗方法進行流量的測驗較為困難，存在一定的風(fēng)險，且站點人員偏少、工作強度大。2019年年初，博白水文站配備了全自動雷達波在線測流系統(tǒng)一套，為了分析全自動雷達波在線測流系統(tǒng)流量與原斷面穩(wěn)定流量的相關(guān)關(guān)系，充分發(fā)揮該系統(tǒng)無人值守、安全實用、實時監(jiān)測的優(yōu)勢，采用LS25-1 旋漿式流速儀與全自動雷達波在線測流系統(tǒng)同時進行流量測驗的成果進行對比分析。

3 全自動雷達波在線測流系統(tǒng)比測情況

（1）比測斷面。博白水文站流速儀測流斷面（基下30 m）見圖2。

圖2 2019年博白水文站流速儀測流斷面（基下30 m）

（2）比測儀器。采用全自動雷達波在線測流系統(tǒng)和LS25-1旋漿式流速儀。

（3）比測方法。博白水文站自2019年6月3日起實行流量測驗。方案為采用纜道流速儀測流流速與流量測驗垂線，根據(jù)不同水位級來確定測速垂線，采用流速面積法計算流量，在旋漿式流速儀測速的同時，全自動雷達波在線測流系統(tǒng)也同步進行施測流速。

（4）比測次數(shù)。在6月～9月之間共進行了18次流量比測，其中，實測最大流量767 m3/s，相應(yīng)水位49.52 m，最小流量40.5 m3/s，相應(yīng)水位46.45 m，水位變幅3.07 m，屬于中洪以下水位級，原始分析資料準(zhǔn)確。詳細比測資料見表1。

表1 2019年博白水文站雷達和纜道對比實測流量成果表

4 全自動雷達波在線測流系統(tǒng)系數(shù)分析

（1）分析方法。以同一水位LS25-1 旋漿式流速儀所測流量為縱坐標(biāo)，全自動雷達波在線測流系統(tǒng)同步所測流量為橫坐標(biāo)點繪關(guān)系圖，進行對比分析，求出關(guān)系式。

（2）相關(guān)系數(shù)分析。通過采用LS25-1 旋漿式流速儀實測流量與全自動雷達波在線測流系統(tǒng)實測流量進行曲線擬合，綜合相關(guān)系數(shù)R=0.998，實測流量關(guān)系為冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為y=0.7 884x+24.256，即回歸方程Q旋漿=0.7 884×Q雷達+24.256，線性關(guān)系見圖3。

圖3 博白站旋漿式流速儀流量與雷達波在線測流系統(tǒng)流量關(guān)系圖

（3）關(guān)系線檢驗。根據(jù)雷達自身特點和原理，比較適用于中高水位測流，因此，本次采用平均流速大于1 m/s 的分析數(shù)據(jù)共14 組，進行水位流量關(guān)系曲線3種檢驗，結(jié)果見表2。

通過表2 的檢驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)誤差為0.2%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.7%，隨機不確定度為11.4%。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）表3.3.2-1規(guī)定，二類精度站流量定線精度指標(biāo)中，采用水力因素法的系統(tǒng)誤差在±2%內(nèi)，隨機不確定度小于12%，因此，本次比測分析成果均滿足規(guī)范要求。

5 合理性分析

（1）LS25-1 旋漿式流速儀實測流量與全自動雷達波在線測流系統(tǒng)實測流量符合冪函數(shù)關(guān)系，原始分析資料真實、計算準(zhǔn)確、可靠性強；比測成果從18組數(shù)據(jù)中選取14組資料系列進行3種檢驗，成果滿足規(guī)范要求，代表性較好，可以反映總體的流量關(guān)系情況。

（2）回歸方程Q旋漿=0.7 884×Q雷達+24.256 的相關(guān)系數(shù)達到0.998，說明方程推算流量與實測流量成果高度相關(guān)。其使用條件在水位大于47.0 m以上，平均流速大于1 m/s以上；由于測流系統(tǒng)調(diào)試完成后進行比測的時間段，沒有出現(xiàn)高水位的洪水過程，收集的比測資料無法有效涵蓋高洪水位級，從資料的完整性和代表性而言，水位49.5 m以上以及水位47 m 以下、平均流速小于1 m/s 以下需要收集更多比測資料。

表2 博白水文站水位～流量關(guān)系曲線檢驗計算表

（3）雷達波在線測流系統(tǒng)平行安裝在流速儀纜道測流斷面上游25 m 處，河床穩(wěn)定，河段順直無支流匯入，垂線位置分布合理，對應(yīng)的流速大小基本一致；高流速、大量漂浮物等各種纜道流速儀測驗無法施測的情況下，雷達波在線測流系統(tǒng)可以很好地克服。

（4）全自動雷達波在線測流系統(tǒng)在使用過程中受外界因素影響較大，水位低、流速小、風(fēng)速大的天氣使用效果不佳，特別是水面過于平靜，河流表面波浪較小，這種情況下反射波比較散亂，雷達波流速傳感器很難收集到比較準(zhǔn)確的流速。此時，雷達波測速傳感器的量程會縮小，探頭距離水面越近越好，一般來說，距離保持0.5 ～50 m、平均流速大于1 m/s 以上測速情況良好，否則測驗的數(shù)據(jù)失真無法使用，應(yīng)當(dāng)研究通過技術(shù)手段，過濾篩選出虛假的數(shù)據(jù)，從而取得有效真實的數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

與纜道流速儀測驗相比，全自動雷達波在線測流系統(tǒng)具有不受大洪水水面水內(nèi)漂浮物、水質(zhì)流態(tài)等影響，縮短測驗歷時、操作簡便、連續(xù)性強、安全指數(shù)高等特點，它不但可以直接測出河流斷面水面流速，而且可以通過軟件處理，進行流量資料整編，可取得較高精度的流量成果。同時，其網(wǎng)絡(luò)遠程控制、設(shè)備電池連續(xù)工作時間長等功能的優(yōu)點正是當(dāng)前水文發(fā)展的新要求、新方向，解決偏遠水文測站的落后監(jiān)測方式，解放了勞動力；其定時測報、變幅加測等功能的靈活設(shè)置，讓無人值守的水文測驗?zāi)Ｊ匠蔀榭赡?，真正實現(xiàn)全自動監(jiān)測。