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(cè)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(cè)驗(yàn)河段基本順直，監(jiān)測(cè)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(kuò)展。低水時(shí)左岸出現(xiàn)淺灘，主流偏右岸。久旱無(wú)雨時(shí)，河道水生物較多。

博白水文站測(cè)驗(yàn)項(xiàng)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(cè)，流量為二類精度站。水位分級(jí)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(shí)測(cè)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(duì)穩(wěn)定。

1.2 雙軌全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)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(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)用于河道流速和流量在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)完成測(cè)速垂線點(diǎn)流速測(cè)量，測(cè)試完成后自動(dòng)進(jìn)行流量計(jì)算；根據(jù)水位漲落幅度設(shè)定，當(dāng)水位漲落幅度超過(guò)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)完成測(cè)速垂線點(diǎn)流速測(cè)量，測(cè)試完成后自動(dòng)進(jìn)行流量計(jì)算；遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)流速、流量的在線測(cè)量。安裝布置見圖1。

圖1 雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)安裝布置圖

河道流速測(cè)量采用雷達(dá)流速儀測(cè)量，雷達(dá)流速儀采用多普勒效應(yīng)原理測(cè)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dá)流速儀與水體以相對(duì)速度V發(fā)生對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，雷達(dá)流速儀所收到的電磁波頻率與雷達(dá)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(guò)計(jì)算雷達(dá)發(fā)射固定頻率的電磁波與接收被測(cè)流體表面反射回來(lái)的電磁波兩者之間的頻率差，經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算得到流體表面的流速。雷達(dá)流速儀測(cè)量為非接觸測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)全天候在線監(jiān)測(cè)。

雷達(dá)小車接收到命令后攜帶雷達(dá)流速儀到達(dá)流速測(cè)試點(diǎn)，測(cè)出該點(diǎn)流速，將流速數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送給RTU控制器，RTU控制器實(shí)時(shí)將流速通過(guò)DTU設(shè)備發(fā)送到服務(wù)器。

雷達(dá)小車測(cè)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(dá)流速儀測(cè)試表面流速轉(zhuǎn)換為等效的斷面流速），通過(guò)公式Q=SV計(jì)算出流量。計(jì)算流量通過(guò)DTU發(fā)送給服務(wù)端保存和查詢，以及生成相關(guān)報(bào)表。

博白水文站雙軌全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)硬件上由纜道、儀器房、雷達(dá)小車、流速儀、RTU 控制箱、充電樁、蓄電池等組成。纜道雙軌雷達(dá)小車的運(yùn)行軌道，垂直橫跨測(cè)流河道。纜道為2根，纜道間距為310 mm，纜道長(zhǎng)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(diǎn)

根據(jù)水文發(fā)展趨勢(shì)，以及大水文適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，新增站點(diǎn)數(shù)量多，迫使水文測(cè)驗(yàn)走無(wú)人值守、遠(yuǎn)程遙測(cè)、實(shí)時(shí)在線、測(cè)、報(bào)、整自動(dòng)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(diǎn)多且偏僻、交通不便、駐測(cè)不現(xiàn)實(shí)、巡測(cè)時(shí)效性不強(qiáng)、人力資源不夠、測(cè)驗(yàn)和整編工作量大等諸多實(shí)際問(wèn)題而開發(fā)的。系統(tǒng)主要有以下十大特點(diǎn)：①非接觸式雷達(dá)波是最可靠的高洪測(cè)驗(yàn)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(cè)流；②測(cè)流方式符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）和《水文纜道測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（SL443-2009），測(cè)流精度在5%左右；③自動(dòng)行車結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單、可靠、易于維護(hù)、更換；④測(cè)站整套設(shè)備由太陽(yáng)能板、蓄電池供電，可維持連續(xù)陰雨30 d 正常工作；⑤測(cè)站設(shè)備是一套完整的流量測(cè)驗(yàn)儀器，可獨(dú)立工作，當(dāng)GPRS網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，測(cè)站人員可到現(xiàn)場(chǎng)操作，完成測(cè)驗(yàn)任務(wù)，獲得流量數(shù)據(jù)；⑥彩色觸摸屏界面簡(jiǎn)單易用，無(wú)需計(jì)算機(jī)即可實(shí)現(xiàn)流量測(cè)驗(yàn)全部操作，適合基層測(cè)站人員；⑦可配備ADCP 專用測(cè)流纜道，手動(dòng)、電動(dòng)雙工操作，方便與ADCP比測(cè)，試驗(yàn)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(shí)候、任何地點(diǎn)上網(wǎng)查看數(shù)據(jù)；⑨基于水文站測(cè)驗(yàn)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(jìn)行測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、整編預(yù)處理，與整編軟件無(wú)縫銜接，直接出符合水文整編成果報(bào)表；⑩所有測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存于測(cè)站測(cè)流控制器，區(qū)（市）中心服務(wù)器和中心水文站計(jì)算機(jī)主處物理地址，互為備份。

2 比測(cè)目的和內(nèi)容

博白水文站發(fā)生大洪水時(shí)，主河道漂浮物較多，采用常規(guī)流速儀測(cè)驗(yàn)方法及走航式ADCP 測(cè)驗(yàn)方法進(jìn)行流量的測(cè)驗(yàn)較為困難，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，且站點(diǎn)人員偏少、工作強(qiáng)度大。2019年年初，博白水文站配備了全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)一套，為了分析全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)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(wú)人值守、安全實(shí)用、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，采用LS25-1 旋漿式流速儀與全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)的成果進(jìn)行對(duì)比分析。

3 全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)比測(cè)情況

（1）比測(cè)斷面。博白水文站流速儀測(cè)流斷面（基下30 m）見圖2。

圖2 2019年博白水文站流速儀測(cè)流斷面（基下30 m）

（2）比測(cè)儀器。采用全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)和LS25-1旋漿式流速儀。

（3）比測(cè)方法。博白水文站自2019年6月3日起實(shí)行流量測(cè)驗(yàn)。方案為采用纜道流速儀測(cè)流流速與流量測(cè)驗(yàn)垂線，根據(jù)不同水位級(jí)來(lái)確定測(cè)速垂線，采用流速面積法計(jì)算流量，在旋漿式流速儀測(cè)速的同時(shí)，全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)也同步進(jìn)行施測(cè)流速。

（4）比測(cè)次數(shù)。在6月～9月之間共進(jìn)行了18次流量比測(cè)，其中，實(shí)測(cè)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(jí)，原始分析資料準(zhǔn)確。詳細(xì)比測(cè)資料見表1。

表1 2019年博白水文站雷達(dá)和纜道對(duì)比實(shí)測(cè)流量成果表

4 全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)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(cè)流量為縱坐標(biāo)，全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)同步所測(cè)流量為橫坐標(biāo)點(diǎn)繪關(guān)系圖，進(jìn)行對(duì)比分析，求出關(guān)系式。

（2）相關(guān)系數(shù)分析。通過(guò)采用LS25-1 旋漿式流速儀實(shí)測(cè)流量與全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量進(jìn)行曲線擬合，綜合相關(guān)系數(shù)R=0.998，實(shí)測(cè)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(dá)+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(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)流量關(guān)系圖

（3）關(guān)系線檢驗(yàn)。根據(jù)雷達(dá)自身特點(diǎn)和原理，比較適用于中高水位測(cè)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(jìn)行水位流量關(guān)系曲線3種檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。

通過(guò)表2 的檢驗(yàn)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(jī)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(jī)不確定度小于12%，因此，本次比測(cè)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(shí)測(cè)流量與全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量符合冪函數(shù)關(guān)系，原始分析資料真實(shí)、計(jì)算準(zhǔn)確、可靠性強(qiáng)；比測(cè)成果從18組數(shù)據(jù)中選取14組資料系列進(jìn)行3種檢驗(yàn)，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(dá)+24.256 的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.998，說(shuō)明方程推算流量與實(shí)測(cè)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(cè)流系統(tǒng)調(diào)試完成后進(jìn)行比測(cè)的時(shí)間段，沒(méi)有出現(xiàn)高水位的洪水過(guò)程，收集的比測(cè)資料無(wú)法有效涵蓋高洪水位級(jí)，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(cè)資料。

表2 博白水文站水位～流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表

（3）雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)平行安裝在流速儀纜道測(cè)流斷面上游25 m 處，河床穩(wěn)定，河段順直無(wú)支流匯入，垂線位置分布合理，對(duì)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(cè)驗(yàn)無(wú)法施測(cè)的情況下，雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)可以很好地克服。

（4）全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)在使用過(guò)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(guò)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(dá)波流速傳感器很難收集到比較準(zhǔn)確的流速。此時(shí)，雷達(dá)波測(cè)速傳感器的量程會(huì)縮小，探頭距離水面越近越好，一般來(lái)說(shuō)，距離保持0.5 ～50 m、平均流速大于1 m/s 以上測(cè)速情況良好，否則測(cè)驗(yàn)的數(shù)據(jù)失真無(wú)法使用，應(yīng)當(dāng)研究通過(guò)技術(shù)手段，過(guò)濾篩選出虛假的數(shù)據(jù)，從而取得有效真實(shí)的數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

與纜道流速儀測(cè)驗(yàn)相比，全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)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(cè)驗(yàn)歷時(shí)、操作簡(jiǎn)便、連續(xù)性強(qiáng)、安全指數(shù)高等特點(diǎn)，它不但可以直接測(cè)出河流斷面水面流速，而且可以通過(guò)軟件處理，進(jìn)行流量資料整編，可取得較高精度的流量成果。同時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制、設(shè)備電池連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等功能的優(yōu)點(diǎn)正是當(dāng)前水文發(fā)展的新要求、新方向，解決偏遠(yuǎn)水文測(cè)站的落后監(jiān)測(cè)方式，解放了勞動(dòng)力；其定時(shí)測(cè)報(bào)、變幅加測(cè)等功能的靈活設(shè)置，讓無(wú)人值守的水文測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ匠蔀榭赡?，真正?shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)測(cè)。