雷達側掃測流系統在蘭州水文站的應用情況分析

郭西軍

（黃河水利委員會上游水文水資源局，甘肅 蘭州 730030）

1 蘭州水文站概況

蘭州水文站為國家基本水文站，隸屬于黃河水利委員會上游水文水資源局，是黃河上游干流的重要控制站和黃河洪水編號站，設立于1934年7月18日，位于甘肅省蘭州市城關區中山橋下游，集水面積222551 km2。測驗河段順直，長度約800 m，斷面矩形、較為穩定，水流自西向東穿城而過，河床由砂卵石組成，水位流量關系一般為單一曲線，年內發生較大洪水時表現為漲沖落淤，年際變化表現為大水年份沖刷、小水年份淤積，河道為沖淤動態平衡。

蘭州水文站洪水主要受上游龍羊峽、劉家峽等梯級水庫聯合調度以及湟水水系和附近支流洪水影響，洪峰呈矮胖形，歷時長，一般發生在5—9月。泥沙主要來自上游水庫排沙及湟水、莊浪河、雷壇河等支流，多集中在7—8月。一般情況下洪峰沙峰不相對應，支流來沙時沙峰過程歷時較短，僅2～3 d或更短。歷年水位流量關系為單一線。

目前蘭州水文站多采用走航式ADCP、水文纜道、測船流速儀法測流。水位漲落較平緩時采用兩點法、五點法施測；簡測法采用0.6一點法施測；常規法流量測驗采用旋槳式LS25-3A或LS25-1型流速儀施測，平均測驗時間1.3～2.5 h；走航式ADCP測流時間為0.5 h左右。流量測驗工作耗時費力，且無法實現自動、連續施測。為解決這一問題，2017年該站建成了雷達側掃測流系統。

2 雷達側掃測流系統簡述

2.1 原理

雷達側掃測流系統利用目標對電磁波的反射（或散射）現象來發現目標并測定其位置和速度等信息，雷達利用接收回波與發射波的時間差測定距離，利用電波傳播的多普勒效應測量目標的運動速度，并利用目標回波在各天線通道上的幅度或相位的差異判別其方向。當水波移動產生相速度和水平移動速度時，會產生多普勒頻移，進而分析計算河流表面不同位置的流速。

在水文站應用中，雷達發射接收裝置安裝在河岸上，天線主軸垂直于河流，該監測技術遠優于需要借助渡河設施的點流速監測技術。測流系統利用太陽能供電，最快2 min獲取一組數據，監測間隔時間可根據實際需要靈活設置，通過系統配套軟件可實現流量在線監測，大幅度提高流量測驗效率。

2.2 安裝環境及技術指標

2.2.1 安裝環境 河寬：＞30 m；流速：2.5～20 m/s；水深：最小15 cm；水波紋高度：最小2 cm。

2.2.2 天線位置 水平方向：距水面20 m以內；垂直方向：高出水面4～20 m；俯視角度：河對岸到天線與河面的角度＞2°。

2.2.3 技術指標 工作頻率：415 MHz；探測河面寬度：≤1 km（單臺）。

2.2.4 環境要求 工作溫度：室外-10～50℃；設置溫度：室外-35～65℃。

2.2.5 距離分辨力 測速范圍：0.05～20 m/s；測速誤差（均方根誤差）：≤0.01 m/s；速度分辨率：≤0.01 m/s。

3 比測方法

為進一步驗證該系統的實際應用效果，率定參數，蘭州水文站根據儀器自身特點、測站水文特性等制定了詳細的比測工作方案。

3.1 流速儀法

蘭州站傳統的流量測驗方法以水文纜道為主，測船為輔。水勢平穩時采用水文纜道懸吊旋槳式LS25-3A或LS25-1型流速儀施測，流量測驗方案采用精測法、常測法，并點繪水位—流量關系曲線。本次采用蘭州站流速儀實測流量60次（其中精測法10次，常測法50次），建立水位流量關系線，關系線單一，定線精度滿足水文資料整編工作要求。

3.2 系統監測

雷達側掃測流系統數據監測頻率為10 min/次，每次監測斷面上不同垂線的表面流速，通過配套軟件完成流量數據合成計算。本次采用自2020年7月19日—2021年3月14日期間采集的21727組數據。

3.3 流速對比觀測

采用流速儀與雷達側掃測流系統同步開展水面流速測驗，流速儀法測速時間不少于100 s。由于儀器測速時間較短，采用流速儀測速期間，雷達側掃測流系統以多次測速平均值為準。

3.4 數據分析處理

采用數理統計方法對瞬時流量值、日均流量值、月均流量值以及點流量誤差進行分析計算。

3.5 誤差評價依據

根據《河流流量測驗規范》(GB 50179-2015)規定，比測隨機不確定度一般不超過6%，比測條件較差的不應超過7%；系統誤差一般不超過±1%，條件較差的不應超過±2%。

4 比測資料分析

雷達側掃測流系統流量計算方法與傳統浮標法類似，以各條垂線上的表面流速代表垂線流速，根據流速面積法計算出斷面虛流量，并根據不同水位計確定流量合成系數K，最終合成斷面流量。

4.1 流量系數K的確定

實際分析中，根據式（1）確定不同水位選定流量合成流量系數。

從2020年7月19日—9月6日雷達側掃測流系統采集數據來看，水位變化范圍為1513.22～1513.75 m，相應流量為2800～3380 m3/s，共計2678組數據，初步率定不同水位對應流量系數，繪制點狀圖（圖1），可見流量系數呈“帶狀”分布，基本為一條平行于Y軸的直線。采用試算法進行誤差計算，當系數K取0.76時誤差最小，整體誤差符合規范要求，所以初步確定流量系數為0.76。

圖1 雷達側掃測流系統水位—系數點狀分布圖

4.2 流量系數K值驗證

為進一步驗證系統選取系數的適應性，選取2020年10月2日—2021年3月14日系統采集的數據進行驗證，水位范圍為1509.94～1512.82 m，流量范圍為340～2400 m3/s，采用上述方法率定流量系數。

從水位、流量合成試驗系數來看，兩者具有一定的線性關系，流量系數呈“帶狀”分布（圖2），范圍為0.62～0.90，水位變化對流量系數影響不顯著。通過試算，當系數K取0.758時誤差最小，略小于初步估算值。

圖2 雷達側掃測流系統水位—系數點狀分布圖

4.3 異常數據處理

根據現場比測情況，對異常數據進行刪除。2020年10月26日—11月17日數據出現突變，測站對監測環境、水位數據采集、設備運行情況等進行詳細檢查，未發現影響數據的異常因素。遂將監測數據發送至廠家查找原因，經分析期間雷達波信號大幅減弱，儀器發射頻率415 MHz，可能附近有警務信號、移動基站等裝置發生電磁干擾，導致數據異常，故予以刪除，并對設備發射頻率進行更改。2020年12月19日、23日因采集數據不全（部分數據丟失），故不參與計算。刪除異常數據后，統計各指標對應誤差，見表1。

表1 蘭州水文站雷達側掃測流系統瞬時流量誤差統計

5 結果與分析

利用國產雷達側掃測流系統在蘭州水文站開展試驗研究，在黃河上游測區是一種全新的流量測驗模式探索，其研究方法及操作、安裝方式正確，研究過程中根據試驗情況不斷進行參數優化調整，最終使系統達到了較好的狀態，資料收集充分，運行比較穩定。

國產雷達側掃測流系統安裝簡便，無需過河設施，可實現對河流表面流場及網格點流速的連續監測，能夠提高流量測驗效率。相比同類進口設備（價格昂貴，核心產品資料不透明）,國產雷達側掃測流系統具有明顯優勢。

利用蘭州站雷達側掃測流系統采集到的數據與流速儀法測流成果（線推流量）率定流量系數，并進行誤差分析。系統成果計算原理與水面浮標法相近，參考《河流流量測驗規范》(GB 50179-2015)均勻浮標法測驗相關規定進行評定，成果如下。

瞬時流量：2020年7月19日—9月6日，水位變化范圍為1513.22～1513.75 m，相應流量為2800～3380 m3/s，流量系數為0.76，測點標準差5.48%，隨機不確定度為10.96%，系統誤差為-0.55%。2020年10月2日—2021年3月14日，水位變化范圍為1509.89～1512.84 m，相應流量范圍為340～2400 m3/s，流量系數為0.758，測點標準差5.99%，隨機不確定度為11.97%，系統誤差為0.93%。

日均流量：以日均流量值為樣本，算得標準差為4.46%，隨機不確定度為8.92%，系統誤差為0.09%。

月均流量：以月均流量值為樣本，計算各月相對誤差，月均值最大誤差為4.81%，最小誤差為0，平均誤差為0.26%。

從以上分析結果中可以看出，瞬時流量受風力風向、過往船只、儀器自身性能等不確定因素的影響，誤差較大，僅能滿足二類精度站浮標法流量測驗要求；日均流量、月均流量因測驗時間長、測次多，偶然性誤差相互抵消，具有較好的測驗精度。

6 存在問題

6.1 異常點及突出點的篩選

在實際應用中，雷達側掃測流系統采集數據存在一定的異常點和突出點，需參考測站水位流量關系線在計算、統計時予以修正或刪除。

6.2 近端、遠端流速處理

對流速儀與雷達側掃測流系統采集的表面流速進行分析，雷達側掃測流系統在近端（靠近儀器一側）和遠端（河對岸）采集的表面流速相對誤差較大，但因兩端所占面積、流速值較小，故對流量計算結果的影響不大。

6.3 雷達波干擾

2020年10月26 日—11月15日，雷達側掃測流系統出現雷達波信號大幅減弱現象，可能是儀器發射頻率（415 MHz）與附近警務信號、移動基站等裝置發生同頻電磁干擾，導致數據異常。應改變儀器發射頻率，避免類似情況發生。

6.4 船只影響

蘭州站測流河段為通航河段，大多數異常點出現在白天通航時段，船只對系統采集流速值有影響，導致流速出現異常值，影響測驗精度。

6.5 降水及風速影響分析

在本次比測期間，共出現15場降水（雪），最大日降水量為9.2 mm，最大雨強僅0.2 mm/min。經觀測分析，降水對雷達側掃測流系統采集流量值的影響不明顯，或是因為降水強度較小，對儀器采集影響不顯著，需要進一步進行比測分析。

7 建議

對系統測量中存在的異常點、突出點進行修正，建議廠家完善相應數據處理功能，對測站綜合水位—流量關系線或儀器采集數據進行分析過濾，對誤差大于±5%（根據不同水位級確定）的數據進行提醒，人工根據實際情況修正，并優化雷達發射頻率，消除過往船只、信號干擾、大風等造成的隨機誤差，提高流量測驗精度。

應用雷達側掃測流系統后，流量測驗資料的整編方式、要求及提交資料的內容、格式與傳統流速儀法測驗要求不一致，應完善相應整匯編工作要求，并建立或完善相應操作規程及使用規范。

建議在系統軟件中增加水位、流量等日、月、年特征值統計、格式化輸出功能，便于測站日常下載應用及與整編軟件對接。