S3-SVR雷達流量計在南寬坪水文站流量測驗中的應用分析

徐建平

（陜西省商洛水文水資源勘測局 陜西 商洛 726000）

1 南寬坪測站基本概況

南寬坪水文站設立于1959年1月，位于陜西省山陽縣境內，東經109°54′北緯33°18′，為漢江左岸一級支流金錢河干流控制站，控制面積3936km2，距河口96.7km。觀測項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發、水質等內容。

南寬坪水文站測驗斷面由沙礫石組成，沖淤變化很小較穩定，多年水位流量關系線較好，中高水基本為單一線。

圖1 南寬坪水文站大斷面圖

南寬坪水文站斷面基本穩定，15年來沒有大的沖刷，左岸是人工河堤，右岸為河灘地，再向右就是大山。

南寬坪站水位流量基本穩定。1984年遷移到該斷面后，水位流量中高水基本是一條曲線，只有小水時呈現分叉。歷年水位流量關系線基本就是2、3條，最多不超過4條。

為搶測洪峰，縮短測驗歷時，增加測驗安全性，提高測驗精度，2013年南寬坪水文站引進了S3-SVR型纜道雷達流量計測流設備。

S3-SVR型纜道雷達流量計工作原理：S3-SVR型纜道雷達流量計是采用接觸式測流手段，利用多普勒原理處理水面回波，測得水面流速的設備。其測流原理是：借用已測的測驗斷面圖，依據當時水位，獲得過水面積，利用水面流速與垂線平均流速的關系，計算所得斷面通過的流量。

雷達流量計技術指標：

測速原理：多普勒雷達

測速范圍：0.20m/s～18.00m/s

測速精度：±0.05m/s

測速歷時：0～99.9 s

適用環境：全天候，雨天可正常測流

圖2 2013年水位流量關系線

2 雷達流量計系數對比試驗

為確保引進的新測流設備性能可靠，在不同水位級測得的流速精度都能達到規范要求，逐步代替流速儀測流的傳統方法，對引進的S3-SVR型纜道雷達流量計進行對比試驗分析。

受測站的地理環境、流速、含沙量等因素的影響，無法確定雷達流量計是否適合于該站水流特性。為了保證雷達流量計的測驗精度，使測驗資料可靠性有所保證，筆者在本站進行了雷達流量計系數的對比試驗，并進行了分析。

2.1 對比試驗分析的方法

在不同水位級用旋漿流速儀施測斷面垂線流速的同時，用S3-SVR型雷達流量計在同一位置施測水面流速，分別計算流速儀法施測的流量和S3-SVR型雷達流量計施測的流量，建立相關關系，分析線性關系，確定相關系數。

表1 南寬坪站雷達流量計水面系數計算表

圖3 雷達流速儀系數關系線

2.2 對比試驗

南寬坪水文站S3-SVR型雷達流量計系數試驗，同時用流速儀和S3-SVR型雷達流量計施測流量。2013年5月至2014年10月共試驗43次，水位變幅為491.99m～496.60m，流量變幅為 3.50m3/s～1270m3/s。其中有8次誤差較大，經分析原因：對比測驗不規范，以及水草、雷電、風、雨干擾所致，產生偽數據，屬偶然誤差，予以剔除。對其余35次進行分析。雷達流量計虛流量成果對比表，見表1。

3 回歸計算分析

3.1 回歸計算

將流速儀法實測斷面流量與S3-SVR型雷達流量計法實測斷面虛流量進行比較，點繪流速儀斷面流量與用雷達流量計實測斷面虛流量關系圖，采取回歸計算得到公式：Y=0.85X。

按照《流量測驗規范》（GBT50179-1993）的規定，雷達流量計系數應為流速儀法實測斷面流量與雷達流量計實測虛流量的比值，計算雷達流量計系數為0.85，相關系數r=0.9988。資料的線性相關性比較好。S3-SVR型雷達流量計系數與本站試驗的流速儀水面系數相同，同為0.85，符合常規。

本相關分析中，①存在成因關系。將8次誤差較大的點剔除，不是因為誤差大而剔除，而是本身在試驗中受外因干擾而剔除。②比測資料在35次以上，滿足規范規定的比測次數要求。③相關關系較好。

3.2 誤差分析

經分析，計算采用回歸分析的系數誤差偏大，故采用水平系數平均值0.85。以該系數乘以雷達流量計所測斷面流量，與流速儀法計算流量進行比較，并進行誤差計算。誤差小于8%的占試驗次數82.9%；誤差小于10%的占試驗次數91.4%；誤差小于12%的占試驗次數100%，經過計算，標準差6.1%，隨機不確定度為12.2%，符合《資料整編規范》表3.3.2第二條二類精度水文站系統誤差±1，隨機不確定度小于10%，采用ADCP測流的隨機不確定度可增大2%，采用浮標法測流定線，隨機不確定度可增大2%～4%變為12%～14%之規定。

4 結果分析

通過流速儀與S3-SVR型雷達流量計對比分析，最大相對誤差最大為10.8%，最小為0.3%。經回歸分析，S3-SVR型雷達流量計與流速儀測得流量相關程度達0.9988，相關性好。S3-SVR型雷達流量計水面流速系數與流速儀測流水面系數相同，均為0.85。說明S3-SVR型纜道雷達波測流設備（美國ACI公司多普勒雷達波測速傳感器www.stalkerradar.com），在商洛金錢河南寬坪水文站河道斷面流量測驗中，資料精度能達到《流量測驗規范》和《資料整編規范》要求，該儀器可以作為流量測驗儀器在斷面測流中使用。

針對金錢河河流特性，將S3-SVR型雷達流量計懸掛在纜道鉛魚上，連續施測三次，取其平均值作為斷面平均流速，乘以已知的斷面面積，即得斷面流量。通過比測分析發現，在使用該雷達流量計時，還應做到：

（1）雷達流量計工作環境溫度范圍為0℃～45℃。雷達波流量計測驗時，俯角要保持45°，探頭要平行于纜道，對準上游某一區域。出現測速不穩定等異常情況時，可適當調整雷達流量計位置，再繼續進行測流。

（2）洪水期，水流流速及水面波浪很大時，同點測量結果相差較大，此時應在同點進行多次測流，并去除異常數據后，取其平均值作為該點流速。

（3）雷達流量計距水面0.5m～5.0m時，所測流速基本一致，若超過此距離，應盡量調整，確保測驗質量。

（4）測流歷時在30s與99.9s測取結果一樣，因而測流時間選取30s，即可達到要求。

5 結語

為實現流量24小時在線監測，以后逐步建立點流速與斷面平均流速關系，以點流速代表斷面平均流速，從而實現流量在線監測目的。即以斷面某一點的水面流速與斷面平均流速的關系或系數，代表斷面平均流速。采用固定點測流，實現24小時流量在線，是水文發展的方向。本比測是實現流量在線監測、提高測驗時效性的重要前提。本人對南寬坪水文站的雷達流量計使用比測分析正是先行一步，為全面推廣雷達流量計測流探索出路。陜西水利