雷達波河道流量測驗若干問題解決方案和試驗分析

◎周永章

1 引言

水文測驗是收集水文資料的主要途徑。多年來水文測驗工作按照傳統方式進行數據的采集，取得大量的珍貴數據。但是傳統的測驗模式存在較多的不足，近年來隨著經濟社會對水文工作提出了更高的要求，特別是近年正在實施的中小河流水文監測系統建設，需要在較多中小河流上新設水文站，這些站多數為防汛專用站，遠離城鎮而且地處山區，具有山區河流暴漲暴落，漂浮物多、流速大等特點，采用傳統測驗模式駐守觀測相當困難。雷達波測流技術的主要特點是傳感器不需要入水，測流系統土建簡單，便于隨時維護，少受水毀影響，不受污水腐蝕，不受泥沙影響，保障人員安全，容易實現實時在線測流。不僅可用于平時環境監測，而且特別適合承擔急難險重觀測任務，因此對于在廣大中小河流和陡漲陡落山區性河流的特定環境，具有明顯優勢。

在省局領導的大力推動下，2011年我們在漢江上游支流湑水河升仙村水文站，引進了先進的雷達水位計和雷達流量計測流系統，開始進行雷達波測流的應用研究，并利用該站有利的設備安裝條件，歷時三年通過變換儀器安裝高度、變換固定垂線位置等多項對比觀測實驗工作，對雷達波測流中需要解決的問題和處理方案進行了深入研究，取得大量對比試驗數據；分析研究了影響雷達流量計河道流量測驗精度的主要因素，對雷達流量計流量測驗進行進一步認識，為該類儀器推廣應用積累經驗。

2 試驗站概況

升仙村水文站（以下簡稱試驗站）是漢江上游北岸支流湑水河上的控制站，位于陜西省城固縣桔園鎮升仙村，地處東經 107°16′，北緯33°16′，控制流域面積2143km2，距河口距離24km。該站測驗項目有水位、流量、泥沙、降水。1940年設站以來實測最大流量3130 m3/s（1980年7月3日），歷史調查最大流量6380m3/s（1864年）。該站測驗斷面河寬176m，中泓位置大致在60m～80m，河道斷面基本穩定。左岸為沙石河灘，右岸為人工砌護堤岸。河床由沙卵石組成，沖淤變化不大，測流斷面以上1000m處有湑惠渠攔河大壩1座，并有東、西引水渠道，最大引水流量18m3/s。該站測流斷面圖見圖1。

試驗站測驗斷面距離站房約1km距離較遠，觀測道路為農村機耕路，路況差，遇到洪水期，交通極為不便，測驗工作存在較大困難。為了解決該站測驗上的困難，2011年引進了先進的雷達水位計和雷達流量計，進行對比觀測試驗研究和分析工作。

圖1 升仙村水文站2012年實測大斷面圖

圖2 雷達波測流系統構成圖

圖3 雷達波測流設備安裝圖

3 試驗設備構成和安裝

雷達波測流系統由雷達波傳感器、流速信息采集終端RTU、12v免維蓄電池、太陽能板及充電控制器、通訊設備（數傳電臺）、臺式電腦等構成。測流系統構成見圖2。雷達波傳感器采用德國SEBA公司生產的RG30雷達流量計，主要性能指標見表1。

表1 RG30雷達流量計主要指標表

根據測站所處的地理位置、地質情況，以及河道特性、水流條件、水位變幅、岸坡形式等，選擇在主索行車架上安裝高頻雷達波傳感器、信息采集控制系統和太陽能供電系統，整個系統可以隨行車架移動，并且不影響原測驗纜道的正常使用。設備安裝見圖3。

4 雷達波測流若干問題的解決方案和試驗分析

4.1 雷達波測流原理

雷達波測流主要系利用多普勒效應（Doppler Effect）原理。當傳感器向非均勻流水體表面發射雷達波時，非均勻流表面的雷達波反向散射體會導致多普勒頻移的發生，接收器接收到的是頻移以后的反射波，如此即可借由頻率的改變數值，計算出非均勻流表面與雷達的相對速度，從而測得被測點的流速。斷面平均流速下式計算：

式中：Vm——斷面平均流速（m/s）；

Vi——水面測點的（代表）流速（m/s）；

K——轉換系數。

圖4 雷達流量計施測虛流量與過壩流量相關圖

圖5 儀器固定起點距80m不同高度試驗相關圖

圖6 儀器安裝不同起點距離位置試驗數據相關圖

流量最終計算如下：

式中A（h）為過水斷面面積（m2,與水深有關）。

4.2 雷達波測流若干問題的解決方案和試驗分析

根據雷達波河道流量測驗的原理河道流量的測驗,主要決定于斷面代表流速Vi的采集和轉換系數K的確定。

4.2.1 代表流速Vi的采集

雷達波測速儀是非接觸式表面流速測驗的儀器，一部雷達波測速儀只能測斷面上一點（很小范圍可視為點）的流速，代表流速Vi則為斷面上若干個（一個至多個）點流速的某種組合。該測量方法有一個前提，即代表流速與斷面平均流速要具有較好的單值對應關系。如果代表流速為一部傳感器測得的一點流速，則該點位置的選擇尤為重要。可以根據不同情況進行綜合分析確定。對于河床比較穩定的測驗斷面，有條件時應通過實測高、中、低不同水位計斷面流速橫向分布來確定測點位置；已經具有資料的測站可根據歷史實測資料分析確定河床穩定而且中泓位置固定的“V”型小河，可通過目測確定。

試驗站雷達波測速儀安裝在纜道行車架上，可隨行車架移動，固定位置應是斷面代表垂線流速與斷面平均流速關系相對穩定的垂線位置。2012年初儀器安裝到位后，為了有效開展對比試驗分析首先進行了雷達流量計固定位置的分析。通過選擇歷史上較大洪水過程的流量測驗原始成果，分析起點距20m～120m垂線流速的代表性。通過分析，該站測驗斷面起點距60m的垂線流速與斷面平均流速的關系相對比較穩定，其相關系數為0.9981，故將雷達流量計的單點固定測流位置確定在起點距60m處。

4.2.2 轉換系數K的確定

轉換系數K可通過模型計算或通過不同水位級的比測試驗資料分析確定關于模型計算方法可參閱有關文獻，本文不作詳述。

通過在試驗站用雷達波測速儀在固定起點距60m處實測水面點代表流速計算斷面虛流量，同時實測斷面流量，共開展110次比測試驗，比測最大流量2379m3/s。虛流量與對應的實測流量進行相關分析計算，相關關系見圖4。經計算其相關系數為0.9981，回歸方程為：

式中：Q——實測流量（m3/s）；

Q虛——雷達流量計實測虛流量（m3/s）。

K——流量轉換系數，固定一點法時為表面流代表流速與斷面平均流速換算系數。

經過相關計算，確定固定位置表面流代表流速與斷面平均流速換算系數K=0.781。

通過轉換系數K計算流量與實測流量進行誤差分析，按照《河流流量測驗規范》（GB50179-93的規定，該站流量在50m3/s以上時，測驗誤差達到規范要求，并且經過2012年～2015年校測，最大流量測驗幅度達到二十年一遇，轉換系數K比較穩定。

低水流量測驗試驗分析

經過試驗數據誤差分析，試驗站流量在50m3/s以上時，雷達波傳感器單一固定位置安裝測流效果很好，流量測驗精度滿足規范要求，但是流量在50m3/s以下時，誤差較大。為了分析低水測驗誤差較大的原因，利用試驗站現有的設備條件和該站的實際水流特性，在該站分別進行了固定測點對比試驗、多線對比試驗、儀器安裝不同高度對比試驗、不同固定位置的比測試驗。各種比測試驗情況如下：

4.2.2.1 改變儀器安裝高度試驗。改變儀器安裝高度，主要目的是增加雷達波信號的強度和靈敏度。試驗時將雷達波傳感器由原來離水面高度8m改變到2.5m進行試驗，實驗數據相關關系線見圖5。從試驗結果看未能明顯提高精度。

4.2.2.2 采用多線多點法比測試驗。多線多點發比測試驗，就是在一次試驗中取多條垂線位置的流速平均值作為代表流速，目的是增加代表流速的代表性。通過比測資料分析，在試驗站也不能得到比較穩定的轉換系數。

4.2.2.3 改變固定點位置比測試驗。改變固定點位置的目的，是探求在低水時固定點代表流速的穩定性。試驗站測驗斷面為“U”型，流量在50m3/s以下時，水面寬度85m，平均水深0.84m,寬深比100，屬于明顯的寬淺型。試驗時將雷達波傳感器分別安裝在起點距60m、70m、80m、90m，比測結果見圖 6。通過2014年前半年比測資料分析，在起點距80m處相關點比較集中，相關系數達到0.92。說明在起點距80m處代表流速的代表性較好。但是在經過一次洪水過程以后，后半年在起點距60m處流速的代表性又明顯好于80m處，儀器實測虛流量與實際流量點群集中，關系較好，相關系數達0.92，說明在此階段低水部分在起點距60m處代表流速的代表性好。經過計算標準差為9.8%，隨機不確定度為19.6%，隨機不確定度接近《水文巡測規范》中二類精度站流量系數相關定線允許誤差18%標準。

4.2.2.4 影響河道流量測驗精度的主要因素分析

（1）風力風向對測流精度的影響。在雷達波流速儀測量水面流速時，水面如果有風，則順風水面流速會增大，逆風水面流速會減小。水面流速越大，測驗精度受風的影響相對要小，流速越小，影響相對較大。這個問題的處理方法可在比測試驗時，同時觀測風向和風力等級，對比測成果數據進行修正。試驗站位于湑水河出山谷的谷口開闊地帶，歷來風速較大，在低水時由于風力吹動水面，通過雷達測速儀測得流速波動較大，從而影響低水測驗精度。

（2）測流角度和測流歷時的影響。從理論上說，在測流角度上，雷達波測速探頭俯角越大，與水面接觸面越小，回波信號越弱；俯角越小，與水面接觸面越大，回波信號越強。在暴雨情況下測流時，雖然多普勒雷達波測速傳感器設計了自動轉換降雨模式功能，雨強較大時仍然會有影響，所以在測流操作中應該調到降雨影響最小的俯角（60°）。對于低水流速較小時，在測流操作中，為加大雷達波與水面接觸面，測流角度應該調到與水面接觸面最大的俯角（30°）。

在測驗歷時上，由于流速越大每秒測得流速數據越多，流速越小每秒測得流速數據越少，所以流速大時，測速時間可短些，流速小時，測速時間應長些。

（3）低水河道控制條件變化的影響。低水位級斷面比較寬淺的“U”型河道，由于過水斷面的寬深比加大，水流控制條件多變，單一點流速的代表性較差。這時可以采用多點測流一般能夠提高測驗精度。通過試驗站試驗分析，在低水比較寬淺的河道，如果控制條件不穩定，將是影響低水流量測驗精度的主要原因，需要找到控制條件相對穩定時段具有代表性的固定安裝位置，通過比測試驗分析，才能保證流量測驗的精度。

5 結語

采用雷達流量計施測流量，具有測驗設施安裝簡單、不受水草和漂浮物影響、安全性高、容易實現河道流量的實時在線監測的優勢。通過比測資料進行系統的分析，試驗站流量在50m3/s～22379m3/s時，測驗精度達到《河道流量測驗規范》（GB 50179—93）浮標法測流精度標準，是一種值得在山區中小河流測站中推廣應用的測流手段。

雷達波測流主要需要解決兩個問題；一是傳感器安裝位置的選擇，找準具有較好代表性的點流速位置是實現雷達波測流的關鍵之一；二是如何確定轉換系數K值，確定K值必須要通過符合條件的比測途徑。

影響雷達波測流精度的因素較多，但是在一個具體的測驗斷面，只有一兩個主要關鍵影響因素，具體測驗斷面，需要具體分析。比如，低水相對寬淺的河流，其固定代表點流速的位置可能是關鍵因素。陜西水利