HS-L981D雙軌式雷達波在金腰口水文站應用探討

蔣偉文，毛天智，巫娟娟

（賀州水文中心站，廣西 賀州 542899）

1 HS-L981D雙軌式雷達波自動測流系統

1.1 系統概述

HS-L981D 雙軌全自動雷達波自動測流系統采用Sommer 的RG-30 雷達傳感器，主要采用微波對河流、泥漿、污水等表面流速進行測量，可應用于水文監測、防洪防澇、環保排污監測等領域。非接觸式表面流速測量操作簡單，儀器體積小、重量輕、功耗低，安裝方便，不受污水腐蝕，不受泥沙影響，保障人員安全。不僅可以用于平時環境監測，而且特別適合承擔急難險重的觀測任務。雙軌式雷達自動測流系統由雷達波流速儀、雷達運行車、測流控制及數據傳輸系統、自動在線充電系統、無線電臺、太陽能供電系統、配套支架和中心站管理軟件等組成。設備利用兩根不銹鋼鋼絲繩做導軌，雷達波測速儀、傳動電機、雷達測速控制器、鋰電池和無線電臺設備安裝在雷達運行車內。雷達運行車懸掛在導軌鋼絲繩上，安裝在室內的系統控制器通過無線電臺發送測流指令，控制雷達運行車運行到測流斷面設定垂線上方，進行水面流速的自動測驗，測流結束后，雷達運行車自動開回室內。同時，流量測次成果自動生成規范的流量成果表通過GPRS通訊模塊發送至市局服務器。

1.2 功能特點

HS-L981D雙軌全自動雷達波自動測流系統利用兩根直徑大于5 mm的304不銹鋼鋼絲繩做導軌，雷達運行車采用四驅動力，裝載有雷達波測速探頭、直流步進電機、雷達車運行控制器、鋰電池、Zigbee模塊等。

當RTU獲得測試指令（定時測試指令或者手動加測指令），并根據當前的水位信息判斷測試模式（高、中、低水位），通過Zigbee模塊下發給雷達運行車，雷達運行車通過Zigbee模塊收到相應的測試指令后控制電機運行，將雷達運行車運行到測流斷面指定位置，啟動雷達測速儀進行測量，并將位置信息反饋給RTU，當前垂線測試完成之后，雷達運行車將測試結果反饋給RTU，然后運行到下一條垂線。當所有垂線測試完畢之后，RTU會根據流速及斷面參數計算出流量，通過GPRS 模塊上傳給服務端。當完成測流后，雷達運行車自動返回室內，并對準充電樁進行充電。

圖1 HS-L981D雙軌全自動雷達波安裝示意圖

1.3 系統設備組成

HS-L981D 雙軌全自動雷達波在線測流系統由RTU、GPRS 模塊，充電模塊，太陽能控制器、太陽能板、鉛酸蓄電池、充電樁、雷達測流小車等組成。

2 測站基本情況

2.1 測驗河段基本情況

金腰口水文站設于2014年4月，位于賀州市八步區黃洞鄉黃洞村，系大寧河支流都江河控制站，屬區域代表站，集水面積164 km2。測驗項目有：降雨、水位、流量。

金腰口水文站監測斷面寬約50 m，河段順直長約300 m，河槽形態呈“U”形。斷面上游100 m處有水晶塘1級電站發電出水口，中低水影響流量測驗。上游500 m 處有水晶塘1 級電站大壩，下游3 000 m 處是水晶塘2 級電站大壩，對測驗斷面中高水起著控制作用。多年流量資料顯示，水位流量關系相對穩定。

2.2 斷面變化

金腰口水文站自2014年建站至今，測驗斷面位置未發生變動，河床有卵石組成，無淤積現象，點繪近幾年大斷面圖見圖2。

圖2 金腰口站斷面情況

2.3 水位流量關系變化

分析金腰口站2017年以來的各年水位流量關系如圖3 所示，水位和流量中低水跟水電站發電出水口出水量相差不大，可以建立較穩定的水位流量關系曲線。

3 雷達波自動測流系統比測情況

（1）比測儀器。利用走航式ADCP 和雙軌式雷達自動測流系統進行比測。

（2）比測方法。采用走航式ADCP 和雷達波自動測流系統同步施測，雷達波自動測流系統借用基本斷面水深計算虛流量。

（3）比測次數。HS-L981D 雙軌式雷達波自動測流系統自2017年7月安裝以來，經過數次調試參數設置，如雷達測驗角度、測流垂線、遠程數據控制參數等，所以2017-2018年的流量資料不做比測分析，本次分析采用2019年的比測成果進行分析。因受比測站點條件限制，如纜道用電不正常、高水水面浪涌太大導致走航式ADCP 測流信號丟失嚴重、雙軌雷達電池供電不足等原因影響，比測工作開展不是很順利，比測分析數據系列有所不足。為此，我們將比測資料分兩個階段進行分析，即雷達波與走航式ADCP比測數據分析和雷達波2019年每日8時自動測流水位流量數據分析。上述劃分含高、中、低水測次，施測次數和水位變幅均基本滿足開展相關分析需求。

圖3 金腰口站雙軌雷達斷面虛流量與走航式ADCP斷面流量關系圖

4 雷達波與走航式ADCP的相關分析

4.1 流量相關系數分析

2019年雙軌雷達測速儀與走航式ADCP 流量比測成果見表1。

表1 雙軌雷達測速儀與走航式ADCP流量比測成果表

通過對雷達測速儀實測流量與ADCP實測流量進行分析，我們采用0.9 的經驗系數乘以雷達測速儀實測流量計算出斷面虛流量，并以雷達斷面虛流量為縱坐標、走航式ADCP流量為橫坐標，點繪同步比測流量的相關關系圖（見圖3），進行對比分析，求出關系式，繪制線型關系線，其公式為：y=0.9 554x+2.1 117，R2=0.9 916，相關關系接近于1，可見我們采用0.9的系數是合理的。

為分析雷達測速儀自動監測數據的穩定性，我們繪制了2019年每日8 時雙軌雷達自動測流斷面水位與虛流量關系圖（見圖4），從圖4中可以看出，水位與虛流量關系點群呈帶狀分布，具有較好的相關關系。

然后把雷達波同步所測斷面流量加入歷年走航式ADCP流量進行定線，見圖5。

水位流量關系曲線通過符號檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗，見表2。

圖4 2019年每日8時雙軌雷達自動測流斷面水位與虛流量關系圖

圖5 歷年流量測點及雷達測點水位流量關系曲線圖

表2 都江河金腰口站水位～流量關系曲線檢驗計算表

5 結語

（1）金腰口站雙軌式雷達波法虛流量與走航式ADCP 法斷面流量呈良好的線性關系。根據《水文資料整編規范》（SL247-2012）3.3.2條采用雷達波法測流的二類精度水文站隨機不確定度為12%，系統誤差為±1%的要求，雷達波法水位流量關系定為單一曲線，滿足規范要求。

（2）雷達波測流系統和走航式ADCP 兩種方法的流量相關關系式為y=0.9 554x+2.1 117，相關系數R=0.9 916。相關關系密切，該站雙軌式雷達波自動測流系統可以投入常規應用，特別是在應急大洪水時人員無法達到情況下的自動監測，具有安全可靠，省時省力，適合在全區測驗斷面穩定的測站推廣使用。

（3）建議增加現場實時水位功能，以改進流量實時自動監測精度，更好適應在高水位條件下水面波浪大的工作環境。