黃 健 ，方益銘，李三平，謝景濱， 陳 容

（1.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009；2.廣州和時(shí)通電子科技有限公司，廣東 廣州 511447）

1 問(wèn)題的提出

河流的實(shí)時(shí)流量是水文、水資源管理及水利工程中的重要資料，是智慧水文建設(shè)中的重要內(nèi)容。水文信息化依靠傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)方法如垂線(xiàn)法、轉(zhuǎn)子流速法，是難以實(shí)現(xiàn)的[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)水文行業(yè)的發(fā)展及國(guó)外先進(jìn)測(cè)流技術(shù)的引進(jìn)，聲學(xué)多普勒測(cè)流系統(tǒng)（H-ADCP）廣泛應(yīng)用于河流流量測(cè)驗(yàn)中，解決了實(shí)時(shí)測(cè)量問(wèn)題，測(cè)驗(yàn)精度高[2]。然而ADCP 需安裝在水下，易受到水體中高沙或漂浮物影響，同時(shí)由于儀器長(zhǎng)期置于水中，易附著水生生物，維護(hù)成本較高。

為了解決泥沙含量過(guò)大、漂浮物過(guò)多等情況下，河流流量的在線(xiàn)測(cè)量問(wèn)題，超高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)產(chǎn)生并投入使用。超高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)掃描計(jì)算江河表面流速，并根據(jù)提供的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過(guò)水位、過(guò)流面積、斷面表面流速比的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)合成，完成惡劣天氣、高水位、復(fù)雜水體、應(yīng)急測(cè)量等特殊情況下的流量監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步滿(mǎn)足流量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的需求[3-6]。

2 超高頻雷達(dá)測(cè)流介紹

2.1 測(cè)流原理

目前測(cè)流常用的K 波段雷達(dá)系統(tǒng)，主要是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的反射（或散射）現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其位置和速度等信息。雷達(dá)利用接收回波與發(fā)射波的時(shí)間差測(cè)定距離，利用電波傳播的多普勒效應(yīng)測(cè)量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，并利用目標(biāo)回波在各天線(xiàn)通道上幅度或相位的差異判別其方向。

超高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)利用UHF 波段進(jìn)行測(cè)流時(shí)，用到Bragg 散射理論（見(jiàn)圖1）。當(dāng)雷達(dá)電磁波與其波長(zhǎng)1/2 的水波作用時(shí)，同一波列不同位置的后向回波在相位上差異值為2π 或2π 的整數(shù)倍，因而產(chǎn)生增強(qiáng)性Bragg 后向散射。

圖1 Bragg 后向散射基本原理圖

當(dāng)水波具有相速度和水平移動(dòng)速度時(shí)，將產(chǎn)生多普勒頻移。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，實(shí)際波浪可以近似地認(rèn)為由無(wú)數(shù)隨機(jī)的正弦波動(dòng)疊加而成。這些正弦波中，必定包含有波長(zhǎng)正好等于雷達(dá)工作波長(zhǎng)1/2、朝向和背離雷達(dá)波束方向的2 列正弦波。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的電磁波與這2 列波浪作用時(shí)，二者發(fā)生增強(qiáng)型后向散射。朝向雷達(dá)波動(dòng)的波浪產(chǎn)生一個(gè)正的多普勒頻移，背離雷達(dá)波動(dòng)的波浪產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的多普勒頻移。多普勒頻移的大小由波動(dòng)相速度決定。由于重力影響，一定波長(zhǎng)波浪的相速度是一定的。在深水條件下（即水深大于波浪波長(zhǎng)l的1/2）波浪相速度vp滿(mǎn)足式（1）定義：

式中：vp為波動(dòng)相速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；l為波浪波長(zhǎng)，m。

由相速度產(chǎn)生的多普勒頻率為：

式中：f0為雷達(dá)頻率，MHz；fB為多普勒頻率，Hz；λ為雷達(dá)發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，m。

這個(gè)頻偏就是Bragg 頻移。朝向雷達(dá)波動(dòng)的波浪將產(chǎn)生正的頻移（正的Bragg 峰位置），背離雷達(dá)波動(dòng)的波浪將產(chǎn)生負(fù)的頻移（負(fù)的Bragg 峰位置）。在無(wú)表面流的情況下，Bragg 峰的位置正好位于式（2）描述的頻率位置。當(dāng)水體表面存在表面流時(shí)，上述一階散射回波所對(duì)應(yīng)的波浪行進(jìn)速度便是河流徑向速度加上無(wú)河流時(shí)的波浪相速度。即：

式中：為波浪行進(jìn)速度，m/s；為河流徑向速度，m/s；為波浪相速度，m/s。

此時(shí)，雷達(dá)一階散射回波的幅度不變，雷達(dá)回波的頻移為：

式中：Δf為雷達(dá)回波頻移，Hz。

通過(guò)判斷一階Bragg 峰位置偏離標(biāo)準(zhǔn)Bragg 峰的程度可計(jì)算出徑向流速。

超高頻雷達(dá)測(cè)得斷面的表面流速（代表流速），通過(guò)建立斷面平均流速與代表流速的關(guān)系，再將斷面平均流速乘以斷面面積，即為測(cè)量斷面的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)。

2.2 適用范圍

超高頻側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)目前可應(yīng)用于單站式測(cè)量系統(tǒng)和雙站式測(cè)量系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。其中單站式測(cè)量系統(tǒng)安裝在河流一側(cè)，可監(jiān)測(cè)到的斷面寬度為30～500 m，數(shù)據(jù)輸出為斷面徑向流速圖；而分裝兩岸的雙站式測(cè)量系統(tǒng)，最大測(cè)量范圍可達(dá)800 m，并且可獲得測(cè)量范圍的表面矢量流場(chǎng)圖。超高頻側(cè)掃雷達(dá)RⅠSMAR-U 可應(yīng)用于以下河流的流量監(jiān)測(cè)中：

（1）未建設(shè)纜道，無(wú)法使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行流速流量測(cè)驗(yàn)的河流；

（2）含沙量或者水下漂浮物過(guò)多，影響H-ADCP 測(cè)量精度的河流；

（3）需要測(cè)量河流流速以及流暢動(dòng)態(tài)變化的河流；

（4）包含航道且走航ADCP 或者流速儀無(wú)法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)的河流；

（5）河流數(shù)據(jù)寬淺，無(wú)法應(yīng)用H-ADCP 測(cè)量的河道；

（6）超大洪水河流。

圖2 超高頻雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)示意圖（雙站式）

3 蘭溪水文站應(yīng)用分析

3.1 測(cè)站特性分析

蘭溪水文站是國(guó)家基本水文站，是錢(qián)塘江中游控制站，下游70 km 有富春江水力發(fā)電廠(chǎng)（日調(diào)節(jié)），上游2 km 是三江口，受富春江大壩影響，回水可達(dá)三江口上游。正常水位下，水面寬約380 m，上游380 m 有蘭江大橋，下游450 m 有鐵路大橋，下游1 200 m 有金角大橋，流域面積18 233 km2。

目前蘭溪水文站的流量測(cè)驗(yàn)采用纜道流速儀和走航式ADCP 等儀器設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)組成及設(shè)備參數(shù)

3.2.1 設(shè)備組成

蘭溪水文站安裝的超高頻雷達(dá)RⅠSMAR-U 測(cè)流系統(tǒng)由1 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)野外站和1 個(gè)中心站組成（見(jiàn)圖3）?，F(xiàn)場(chǎng)野外站包括收發(fā)天線(xiàn)、雷達(dá)主機(jī)、計(jì)算機(jī)和軟件子系統(tǒng)，中心站包括計(jì)算機(jī)、中心站軟件子系統(tǒng)。技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 超高頻雷達(dá)RISMAR-U組成設(shè)計(jì)圖（左）及實(shí)物圖（右）

表1 超高頻雷達(dá)RISMAR-U 技術(shù)參數(shù)表

續(xù)表1

3.2.2 測(cè)站安裝方案

（1）站點(diǎn)選址：按照水文相關(guān)規(guī)范要求，測(cè)流斷面選址要求順直，河床穩(wěn)定，水流集中，GPRS 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較為穩(wěn)定通暢，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。蘭江寬度約400 m（＜500 m），在蘭溪水文站一側(cè)河岸安裝1 套單站式雷達(dá)，即可實(shí)現(xiàn)河道斷面的全覆蓋監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)謹(jǐn)慎嚴(yán)格的選址，最后選擇在水文站上游約100 m 的位置建站。

（2）供電系統(tǒng)：蘭溪水文站具備使用220 Ⅴ交流電的條件，雷達(dá)系統(tǒng)安裝完成后，使用射頻線(xiàn)纜連接天線(xiàn)和機(jī)箱，接入220 Ⅴ交流電。

（3）測(cè)量區(qū)域選擇：?jiǎn)握臼匠哳l雷達(dá)系統(tǒng)理論上可實(shí)現(xiàn)全斷面表面流速測(cè)量，但由于靠近對(duì)岸的斷面部分回波信號(hào)容易受到外界環(huán)境干擾，為提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性，超高頻雷達(dá)指標(biāo)流速設(shè)置測(cè)量范圍為距起點(diǎn)40～200 m 區(qū)域。

（4）安裝情況：蘭溪水文站超高頻雷達(dá)系統(tǒng)于2019年6 月5 日完成安裝調(diào)試并接入系統(tǒng)，后續(xù)接入在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)綜合平臺(tái)，符合SL 323—2005《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》及SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，適用于南方片數(shù)據(jù)資料整編自動(dòng)后處理軟件，能與現(xiàn)有系統(tǒng)充分兼容，可用水情信息交換系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

3.3 比測(cè)率定和校驗(yàn)

蘭溪水文站采用纜道流速儀數(shù)據(jù)與超高頻雷達(dá)在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行率定分析，以超高頻雷達(dá)施測(cè)的代表流速（V代表）與纜道測(cè)流所測(cè)流量計(jì)算出的平均流速（V平均）建立相關(guān)關(guān)系。超高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的測(cè)速間隔為5 min，為實(shí)現(xiàn)超高頻雷達(dá)與實(shí)測(cè)流速時(shí)間同步，代表流速選取纜道測(cè)流時(shí)間段區(qū)間內(nèi)超高頻雷達(dá)測(cè)量流速數(shù)據(jù)的平均值。

本次率定分析資料的獲取時(shí)間段為2019 年7 月4日—9 月20 日，共38 份纜道測(cè)流數(shù)據(jù)資料參與率定，實(shí)測(cè)流量變幅為138～10 800 m3/s，流速變幅為0.09～2.32 m/s，水位變幅2.70～10.34 m。本次V代表—V平均相關(guān)公式為：y=0.2x2+0.568 3x+0.064 3（見(jiàn)圖4）。

圖4 蘭溪水文站在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)率定關(guān)系圖

4 討 論

4.1 準(zhǔn)確性及合理性分析

4.1.1 準(zhǔn)確性分析

為了進(jìn)一步判斷超高頻雷達(dá)在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)流速定線(xiàn)準(zhǔn)確情況，根據(jù)定線(xiàn)計(jì)算的定線(xiàn)合格率y=0.2x2+0.568 3x+0.064 3，定線(xiàn)相對(duì)誤差精度≤15%的合格率達(dá)到97.06%，滿(mǎn)足水文整編規(guī)范定線(xiàn)和精度要求（見(jiàn)表2）。對(duì)V代表—V平均關(guān)系線(xiàn)進(jìn)行三線(xiàn)檢驗(yàn)分析，定線(xiàn)精度指標(biāo)參照SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》，符合規(guī)范要求。

表2 合格率分析計(jì)算表

4.1.2 合理性分析

選取率定期間高中低代表水位、常規(guī)纜道測(cè)流法實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)與超高頻雷達(dá)在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)的35 組流量數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性對(duì)比驗(yàn)證分析（見(jiàn)圖5）。在流量變幅為138～10 800 m3/s，流速變幅為0.09～2.32 m/s 范圍內(nèi)，超高頻系統(tǒng)計(jì)算流量過(guò)程線(xiàn)跟常規(guī)纜道測(cè)流法實(shí)測(cè)流量過(guò)程線(xiàn)高度重合，且與水位變化過(guò)程一致，并未觀察到數(shù)據(jù)的跳變等現(xiàn)象，跟河流變化規(guī)律相符，超高頻雷達(dá)測(cè)流代表流速推流成果合理，數(shù)據(jù)可用。

圖5 蘭溪洪水過(guò)程水位流量過(guò)程線(xiàn)圖

4.2 應(yīng)用情況分析

4.2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

蘭溪水文站于2019 年5 月引進(jìn)超高頻雷達(dá)在線(xiàn)測(cè)流系統(tǒng)，6 月完成現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，開(kāi)始試運(yùn)行。在安裝試運(yùn)行期間，系統(tǒng)設(shè)定每5 min 出具1 組流量數(shù)據(jù)。率定期間，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)24 h 實(shí)時(shí)在線(xiàn)連續(xù)采集流量數(shù)據(jù)，具有良好特性。

（1）儀器設(shè)備硬件穩(wěn)定無(wú)故障。率定期間，系統(tǒng)硬件設(shè)備未出現(xiàn)故障情況，整體穩(wěn)定性良好。在雷擊暴雨等惡劣天氣情況下儀器能夠正常運(yùn)行，具有較強(qiáng)的抗環(huán)境影響能力。

（2）數(shù)據(jù)表現(xiàn)平穩(wěn)。雖然超高頻雷達(dá)天線(xiàn)與河流流向具有一定的角度，但是回波強(qiáng)度變化過(guò)程線(xiàn)未發(fā)現(xiàn)突變或間斷情況，趨勢(shì)較平穩(wěn)。

（3）抗洪水沖擊能力強(qiáng)。在洪水期間，探頭所在位置漂浮物較多，河流含沙量較大，流速較大，受水流沖擊，天線(xiàn)在風(fēng)力等作用下擺動(dòng)幅度為0.0°～1.5°，儀器能夠抵抗洪水沖擊，滿(mǎn)足洪水監(jiān)測(cè)的需求。

4.2.2 應(yīng)用成果分析

超高頻側(cè)掃雷達(dá)RⅠSMAR-U 系統(tǒng)的每組流量數(shù)據(jù)，通過(guò)14 份流場(chǎng)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖6）篩選得出，相對(duì)于ADCP 或者雷達(dá)系統(tǒng)，獲取的數(shù)據(jù)量及細(xì)節(jié)更多。從圖6 可看到部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，可能是由于現(xiàn)場(chǎng)水面船只和漂浮物對(duì)信號(hào)的影響[6]。目前蘭溪水文站優(yōu)化了數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，通過(guò)回波信號(hào)的差異區(qū)分水面船只和漂浮物，進(jìn)而通過(guò)算法過(guò)濾掉這些物體對(duì)水體流速測(cè)量的影響。

圖6 蘭溪站超高頻雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)流場(chǎng)數(shù)據(jù)圖

在應(yīng)用過(guò)程中，過(guò)大的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)天線(xiàn)不同頻率的擺動(dòng)或者震動(dòng)，如果震動(dòng)頻率跟雷達(dá)波頻率相近則會(huì)影響雷達(dá)波信號(hào)，且超高頻雷達(dá)測(cè)量的是水下7 cm 左右重力波的運(yùn)動(dòng)速度，風(fēng)速可能對(duì)數(shù)據(jù)造成一定的影響[6-8]。

5 結(jié) 語(yǔ)

由超高頻雷達(dá)RⅠSMAR-U 系統(tǒng)在蘭溪水文站的應(yīng)用可知，超高頻雷達(dá)是一種先進(jìn)、技術(shù)含量高的測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)精度能夠達(dá)到水文規(guī)范的要求，可滿(mǎn)足在線(xiàn)測(cè)流24 h 無(wú)人值守自動(dòng)化智能化測(cè)流要求。

系統(tǒng)非接觸式安裝，日常運(yùn)行成本低、維護(hù)少、快捷、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠解決泥沙含量過(guò)大、水下漂浮物過(guò)多等情況下流量的在線(xiàn)測(cè)量問(wèn)題，可作為一種新型可靠的測(cè)量技術(shù)在浙江省乃至全國(guó)水文站推廣應(yīng)用，全面提高水文測(cè)報(bào)的自動(dòng)化智能化水平。

超高頻雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)流數(shù)據(jù)會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)水面的船只、漂浮物或風(fēng)速等影響，但是通過(guò)數(shù)據(jù)后處理的篩選疊加，能夠獲取更合理的數(shù)據(jù)。