雷達（RG—30）流量在線監測系統應用研究

朱治雄 謝永勇 高夏陽 高宇星

摘要：雷達（RG-30 ）流量在線監測系統通過信息采集、計算機處理、網絡數據傳輸等先進技術，將傳統的人工監測水文要素轉變為信息采集、計算、存儲、傳輸等一體化的自動監測過程。與流速儀法進行的比測結果表明：該系統具有性能穩定、適用范圍廣、自動化程度高等特點，符合相關規范規定，可以推廣應用。

關鍵詞：在線監測；流量監測；雷達；西總水文站；青銅峽水庫

中圖分類號：TV213；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.003

1 概述

1.1 青銅峽西總水文站基本情況

青銅峽西總水文站由黃委于1960年1月設立，目的在于觀測河西總干渠水沙量變化，為青銅峽水庫調度運用及下游農田灌溉提供用水依據，為下游提供水情和搜集基本水文資料。該站是河西總干渠的控制站，測流斷面上游825m處為青銅峽水庫。受上游電站1號、9號機組出水口影響，以及下游黃河1號退水閘、泰民渠閘門、西干渠閘門等建筑物的影響，測驗河段內水流流態變化復雜，水位一流量、水位一流速關系測點分布較為散亂。長期以來，為切實掌握測驗河段的流量變化過程，青銅峽西總水文站進行了頻繁測流，不過仍很難滿足切實掌握流量變化過程的要求，流量測驗強度大成為該站工作的特點。目前該站采用的常規流量測驗方法為測船流速儀法和鉛魚纜道流速儀法。

隨著社會經濟的發展，要求進行水資源精細化管理，而現有的傳統水文測驗方式已很難滿足水文自動化、信息化等的要求。只有采用水文要素自動化監測、信息網絡化傳輸等現代化手段，才能為水資源管理和社會經濟的發展提供可靠保障。

1.2 應用研究的依據及技術標準

水位比測依據《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）[1]的規定：比測時，可按水位變幅分幾個測段分別進行，每段比測次數應在30次以上。比測結果應符合以下規定：①一般水位站，置信水平95%的綜合不確定度應為3cm，系統誤差應為±1cm；②石英鐘走時誤差每日不應超過±3min，

流量比測依據《河流流量測驗規范》（GB50179-2015）[2]的規定：比測宜在水流相對平穩時進行，并應在高、中、低不同水位（或流量）級下均勻分布測次；比測有效次數不應少于30次；比測隨機不確定度不應超過6%，比測條件較差的不應超過7%；系統誤差不應超過±1%，條件較差的不應超過±2%。

2 雷達（RG-30）流量在線監測系統簡介

2.1 系統原理

雷達（RG-30）流量在線監測系統以面積一流速法為基礎，采用多個非接觸式雷達傳感器構成流量在線監測系統，當雷達波傳送到非均勻流表面時，非均勻流表面的反向散射會導致多普勒頻移的發生。雷達（RG-30 ）流量在線監測系統的采集器控制多個雷達傳感器同步采集水流表面的多普勒頻移，從而根據該頻移計算出河流表面流速，實現一點和多點河流表面流速監測，這些數據經率定后就可用于推算河流斷面平均流速以及河道實時流量。

2.2 系統功能及結構

該系統由水位信息采集、流速信息采集、風力風向信息采集、流量計算、數據處理、信息存儲/傳輸以及基于數據庫的在線查詢顯示系統組成，可以完成信息采集、計算、存儲、傳輸、數據召測、數據維護、數據分析等功能。系統設計建設結合計算機處理、網絡傳輸等自動化手段，將常規的水文要素人工監測方式轉變為信息采集、計算、存儲、顯示、傳輸應用的數字化、自動化過程。

系統主要包括雷達測速儀傳感器、雷達水位計傳感器、數據采集終端（RTU）、通信設備以及中心站管理軟件。按照位置區分，該系統包含以下工作站點：斷面測量點、青銅峽西總水文站接收控制點、鄭州數據監控備份中心，見圖1。

2.3 斷面流量計算方法

雷達（RG-30）流量在線監測系統監測各代表垂線的區域水面流速，通過測得的實時水位推算各代表垂線間面積，進而推求斷面流量，其計算公式為

Q=K∑Anvn （1）式中：n為測速垂線數；K為常數；An為測速垂線間的面積，通過實時水位與大斷面數據推算；υn為測速垂線間的平均流速。

3 應用分析

3.1 代表垂線分析及采集器安裝位置確定

系統設備安裝在青銅峽西總水文站測流斷面，結合測流斷面地形、水流特性、水面流速分布、精度要求和設施條件等情況來確定代表垂線的位置。代表垂線的平均流速與斷面平均流速具有穩定的關系。

通過繪制青銅峽西總水文站大斷面圖，分析得出起點距25.0～65.0m為該測流斷面主河槽，河床由卵石組成且較為穩定。選取低、中、高水位具有代表性的流量級，通過實測流量資料繪制垂線水深及流速的橫向分布圖（見圖2），選取在測流斷面中泓處且斷面起點距分別為35.0、45.0、60.0m的3條垂線進行計算分析。

為了確定選取的3條垂線的流速具有較好的代表性，選取小、中、大流量下的32組實測流量資料對3條垂線平均流速與斷面平均流速間的關系進行統計分析，見圖3。

通過分析3條垂線的流速平均值與斷面平均流速的相關關系，可得

υc=0.9071×（υ35+υ45+υ60）/3-0.0279（R2=0.9946） （2）式中：υc為斷面平均流速，m/s；υ35、υ45、υ60分別為起點距35.0、45.0、60.0m處的垂線平均流速，m/s；R2為確定性系數。

通過以上綜合分析確定：在對應斷面起點距35.0、45.0、60.0 m處3條垂線的平均流速在各級流速下與斷面平均流速均有著穩定的關系，具有良好的代表性，確定將雷達流速采集器分別安裝在這3個位置上，水位采集器安裝在基本水尺斷面上投入使用。

3.2 比測數據成果

應用研究期間取得的98組水位數據以及2015年46組、2016年32組實測流量資料作為分析樣本。研究期間實測最高水位為1138.48m（2015年7月17日），最低水位為1 135.40m（2015年9月3日）；實測最大流量為387m3/s（2015年6月10日），最小流量為1.76m3/s（2015年11月22日）；最大測點流速為1.86m/s （ 2015年6月10日），最小測點流速為0.04m/s；最高氣溫為35.8℃（2015年7月28日），最低氣溫為-19.8℃（2016年1月23日）；最大日降水量為107.9mm（2016年8月13日）；最大風力為9級，基本涵蓋了該站的各種測驗環境，資料具有較好的代表性。

3.3 水位測驗誤差分析

對人工直立式水尺與雷達水位計同步觀測的98組數據進行誤差分析（見表1），可知置信水平為95%時的綜合不確定度為2cm，系統誤差為0.2cm。石英鐘每天早上8：00與北京標準時間校對，共30次無誤差?？梢钥闯隼走_水位計水位觀測精度均符合《水位觀測標準》（GB/T 50138-2010）的規定。

3.4 流量測驗誤差分析

3.4.1 相關性分析

采用2015年度雷達（RG-30）在線流量監測系統與鉛魚測流纜道在不同水位、不同時段、不同氣象條件下同步測得的46組流量成果作為分析資料，建立Q0（纜道測流結果）-Q1（雷達測流結果）的相關關系。從圖4以及誤差計算結果可以看出，確定性系數僅為0.9074，相對誤差超過10%的測次有7個（見表2），需對偏大原因進行分析。

3.4.2 誤差原因分析

從表2可以看出，比測試驗時7個測次的風力都在4級以上，由于雷達測速儀測的是水面流速，當風力在4級以上時水面較為紊亂，因此測驗誤差大。依據《河流流量測驗規范）（GB50179-2015）中4.1.2條的規定，這些數據在分析時應予舍去。

在分析時發現45、46測次流速出現0值等不正常情況，從原始數據可以看出這兩個測次的流速小于0.5m/s，已超出儀器能夠采集的流速范圍，故分析時亦予舍去。

3.4.3 成果分析

根據上述誤差偏大原因分析，需舍去9個測次，采用2015年雷達（RG-30）流量在線監測系統與鉛魚纜道流速儀法在不同水位、不同時段、不同氣象等條件下同步測流的37組流量資料，重新建立Q0-Q1關系（見圖5），可得出二者的相關關系式為

Q0=0.7889Q1+44.802（R2=0.961）（2）由式（2）可以看出，二者具有良好的相關性。

3.4.4 成果檢驗

將2016年不同流量級別、水流相對穩定條件下的32組實測流量資料作為樣本，對式（2）進行檢驗。結果表明：最大相對誤差為6.3%，最小相對誤差為-5.7%，隨機不確定度為5.8%，系統誤差為0.3%，均不超過《河流流量測驗規范）（GB50179-2015）中隨機不確定度不應超過6%和系統誤差不應超過±1%的規定。

4 結語

（1）雷達（RG-30）在線流量監測系統具有較好的穩定性，設備性能可靠，安全系數高，維修簡單，具有較好的環境適應性。

（2）系統具有較強的快速測量、數據處理以及遠程傳輸功能，在有網絡的地方，利用手機等設備可以實時查詢水位、流量，能夠及時、準確、快速地掌握信息，可滿足水文測報方式自動化、信息化的要求，適應社會經濟發展對快速獲取水文信息的需求。

（3）比測結果滿足相關規范要求，可以用來進行青銅峽西總水文站的水位、流量測報，并可在有條件的站點推廣應用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.水位觀測標準：GB/T 50138-2010[S].北京：中國計劃出版社，2010；26.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.河流流量測驗規范：GB50179-2015[S].北京：中國計劃出版社，2015：14.