特高頻雷達在界河水文實時監控過程中的應用

張弘

（遼寧省丹東水文局，遼寧丹東118000）

1 研究方法

1.1 研究對象

所選測驗河段為界河干流河段，水量豐沛，同時由于多徑流匯入歷史上有發生較大洪水的水文記錄；年內降雨量分布不均，主汛期集中在6—9月；河道比降逐漸減小，平均比降為0.9‰，挾沙能力較弱，并且兩岸植被覆蓋較好，河流含沙量較小；河段順直，河床主要由砂石、卵石組成，測驗斷面年際間及汛前、汛后變化不大，主槽穩定，左右擺動情況較小。

多年來，該河段采取過傳統鉛魚船測，但由于單次測驗過程的繁瑣，實用性顯然不能滿足現階段水文監測需求；后又改為ADCP 走航式測量，但考慮高洪水文作業的安全性和界河作業的國際影響，引進特高頻雷達實時監測系統。

1.2 研究方向

特高頻雷達實時監測系統（RiverSondeTM）是一種與河流無直接接觸的河流監測系統。該系統使用了用于監測沿海海洋涌流的海洋探測器技術，是目前唯一用于表面涌流測量，具有良好記錄的系統，并因其測量精確和易于使用立于涌流測量技術的前沿。

特高頻雷達實時監測系統是安裝于河岸之上、與河面無直接接觸的河水速度監測系統，系統自動地收集、處理并儲存河面數據。應用計算機界面，這些數據可以以表格或圖表的形式表現出來，也可傳輸用于遠程歸檔或處理。

此次研究分兩部分進行：一是在中低洪水情形下對比ADCP 走航式測量數據與特高頻雷達實時監測系統數據，建立數學模型，確定相關系數；二是在中高洪水情形下，通過定點投放新型GPS浮標，比對浮標流速與特高頻雷達覆蓋相應點的實時流速，分析特高頻雷達數據準確性。

1.3 數據比對

1）ADCP 與特高頻雷達實時監測系統數據對比。采用機動測船拖拽ADCP 實測流量，均勻布設流量測次，利用日本拓普康免棱鏡全站儀測量固定水邊起點距。同時實時監測測流斷面的水位，以及非接觸式RiverSondeTM 原始測量數據截取，保證數據同步。此次實驗自2017年8月3日10 時開始，至8月5日1 時結束，共實測流量7次，水位變幅2.42 m，各水位級流量測次均有分布。對比結果如表1，走航ADCP 與RiverSondeTM 實測流量如圖1。

從圖1 可知，各時間段速率變化趨勢一致，代表了河流表面速度橫向分布變化。各測量垂線數據與實際情況相符，代表性較好。

通過繪制ADCP 實測流量與非接觸式River-SondeTM 實測流量相關圖，確立直線回歸方程y=0.84x+14.3，相關度R2=0.993,兩者相關關系密切。說明非接觸式RiverSondeTM 測量效果滿足河道流量測驗要求。

表1 相同水位級走航ADCP 與非接觸雷達測量數據對比

圖1 走航ADCP 與RiverSondeTM 實測流量圖

2）新型GPS 浮標與特高頻雷達實時監測系統數據對比。漂流浮標用船只投放，投放點離雷達天線沿江距離為大約1000 m，漂至天線另一面距離1000 m 處撈起。共5 只浮標用來做比對實驗，浮標離江岸的距離從幾十米到幾百米不等。浮標的GPS 位置每秒自動紀錄，浮標的南北，東西流速分量利用100 s 內的數據點通過最小二乘方求得：

圖2 漂流浮標與RiverSondeTM 流速對比

實驗數據的對比從浮標的位置信息開始，每30 s 的數據由上述計算式計算出速度。根據浮標在此位置的時間而確定用哪一個徑向流速的文件，在徑向流速的文件中找出離此位置10 m 內的所有徑向流速矢量，將這些流速矢量反投影到平行江岸線的方向，再取平均值。通過繪制流速差值圖3，發現浮標所測流速值與特高頻雷達實時監測系統所測值吻合良好，流速差在5%～8%。

圖3 漂流浮標與RiverSondeTM 流速差值

2 結論

1）特高頻雷達實時監測系統能及時地測出河流流量等數據，不僅保證水文測報的實時性和準確性，在保障高洪安全作業方面也有突出體現。

2）在洪水過程中特高頻雷達實時監測系統采集的流速能很好地反應現實實際，采用穩定河段實測大斷面數據進行的流量計算數據準確率較高。

3）在不同水文測驗斷面，要充分考慮河流特性、水位變幅等測驗條件，合理配置參數和比測方案，提高儀器的測驗性能和工作效率。