双轨移动式雷达波测流系统流量系数比测试验分析

双轨移动式雷达波测流系统流量系数比测试验分析

曾 辉 1 李能 2

云南省水文水资源局玉溪分局，云南玉溪 653100

【摘要】移动式雷达波具有自动安全，无需专人值守，测量结果准确等特点，是当前河流流量监测的重要工具。本文对移动式雷达波测流系统的流量系数进行分析，确定了流量系数的合理性，进而实现河流流量自动监测。

【关键词】移动式雷达波；在线测流系统；流量系数；峨山站

1 引言

流量测验是水文要素采集的一项重要工作，随着新技术的不断发展运用，水文测验方法有了极大改变，雷达波流量监测就是一种新的水文测验方法。雷达波流量监测系统作为流速测验设备，具备技术成熟和应用范围广的特点，同时也提高了操作人员的安全性，使用雷达波进行流速监测，雷达波的测流系数是决定其测量准确程度的关键。本文以峨山水文站为例，介绍双轨移动式雷达波的测流系统流量系数的比测方法。针对测验方法进行优化，减少相应误差，对于提升整体水文测验工作的水平有着重要的意义。

2 移动式雷达波介绍

双轨移动式雷达测流系统主要由测流控制及数据传输系统组成。主要设备包含自动运行车、雷达水位计、雷达测流传感器，以非接触方式测量河流表面流速和水位，并自动计算出过流面积、平均流速、流量等数据，供用户分析查看并下载。双轨移动式雷达测流系统含有以下功能特点。

1、双轨移动式雷达测流系统是一套完整的无人值守的流量测量仪器，可独立完成测验任务，获得流量数据；

2、全自动采集和计算，无需人工操作；

3、可远程操控测流和下载数据，远程重启，远程升级，无须到现场操作；

4、可根据不同水位级变化自动进行选择对应的垂线数测流，全自动，完全满足水文规范的要求，测验精度高；

5、多种测验模式自动切换，确保测得各次峰、谷和完整的水位和流量夺化过程；

6、软件平台可直接生成各种水文规范报表，直接参与资料整编，还可定制软件功能；

7、全天候，可在夜间、雨天测流。

8、模块化结构，维护便利，精准可靠。

3 应用站点概况

峨山水文站位于云南省玉溪市峨山县，地理坐标东经102°24′，北纬24°11′，2001年1月搬迁设立，集水面积1226 km²，为国家基本水文站，一类精度站，测验河段顺直长度约500米，人工河堤，河道平整顺直，测验断面上下20米无明显冲於变化，断面形状为U型，最大河宽24.3m，断面设有基本水尺断面兼流速仪测流断面，基下约300米是昆洛公路大桥，下游2公里处有练江河流汇入。基下300 m处桥洞对高水起控制作用，水位与流量关系为临时线。

4 数据收集及比测方法

1、流速仪法：在测流断面布设8条测速垂线，采用缆道流速仪一点法（0.6）或多点法（0.2、0.6、0.8），低水时涉水施测，每个测点测速历时不低于60s，通过面积流速法推算流量，进而获得实测断面平均流速。

2、移动式雷达测流系统：与流速仪法相对应，设置了8条测速垂线，每1小时自动测量各垂线的表面流速，并根据水位变幅增加测量次数。

3、比测资料统计

时间：2018年1月～12月

测次：流速仪法实测流量32次，选取同时间移动式雷达测流系统采集计算的虚流量。

比测期水位变幅：1536.19 ～1537.94 m

实测（比测）流量水位变幅：1536.24～1537.90m

比测期(雷达测流)流量变化：3.58～108m3/s

比测期(流速仪) 流量变化：2.84～90.7m3/s

流量系数比测期间水位变幅为1.66 m，占年水位变幅的94.9%。率定共收集到的比测样本32个较均匀分布于各级水位，依据这些比测样本进行流量系数分析。

根据峨山站人工测量和雷达波测量采用同一雷达水位计测量值，以及测验断面为人工河段的特点，用两种仪器同时施测，流量计算中的水位、断面面积是相同因子，而流速则属于差异因子，两种流量结果的差异，本质上就是两种流速的差异，即流速、流量的差异情况是一致的，故这里只对流量数据进行比测分析。

5 流量系数的分析确定

将32份实测资料与同时间移动式雷达测流系统采集计算的虚流量进行回归分析，拟合回归方程式。即K=Q/Q_f式中，K为流量系数；Q为断面实测流量（流速仪法实测流量）；Q_f为断面虚流量（雷达波测流流量），断面流量Q和虚流量Q_f点绘散点图(见图1)，拟合结果Q=0.8368Q_f

1、回归关系三线检验

为方便实际工作运用，本着方程计算结果精度达标，方程简便的原则，对选用方程做适当调整为Q=0.84Q_虚，将虚流量Q_f代入选用方程，计算得改正流量Q_改正。然后用实测流量的相应水位查峨山站2018年通过检验的水位～流量关系表，得对应的线上流量Q_线，以线上流量为真值，对改正流量Q_改正进行检验。依据《水文资料整编规范》（SL247-2012），按水文测站误差限值作检验，检验结果见表4。在得到满足条件的相关关系后，确定峨山水文站雷达波流量系数为0.84。

表4 峨山大河 峨山站水位～流量关系曲线检验计算表

样本容量：N =32，正号个数： 17，符号交换次数： 13

符号检验：u=0.18，允许：1.96(显著性水平 a=0.05)，合格

适线检验：U=0.72，允许：1.64(显著性水平 a=0.05)，合格

偏离数值检验：|t|=0.66，允许：1.67(显著性水平 a=0.10)，合格

标准差：Se(%)=7.1，随机不确定度(%)：14.2，系统误差(%)：0.8

2、流量系数的合理性分析

用改正后的雷达波所测流量推算1—12月径流量进行比较分析。月径流量最大相对误差为-1.46%，年径流量相对误差为2.61%，满足《水文资料整编规范》（SL247-2012）要求。由此可见，峨山水文站雷达波流量系数为0.84合理。

6 结论及建议

1、结论

过原点方程Q_断= 0.84Q_虚符合点据趋势，若按测站精度限值讨论，能达到一类精度站的误差要求，说明应用移动式雷达波在线测流系统测算峨山水文站断面平均流速具备可行性，同时也说明所选回归方程代表性较好。

2、建议

（1）安装移动式雷达波行车时，应精确测量探头的高度、起点距，以确保探头测速垂线起点距的准确性。

（2）要仔细分析过水断面和实测流量资料，确定流速代表性较强的垂线区域，以便进一步优化移动式雷达波测速垂线的位置，有助于移动式雷达波系统推广运用。

（3）要充分结合水文资料测验、整编的需求，不断完善移动式雷达波系统的数据传输、处理、展示软件平台。

（4）要建立合理的仪器维护保障机制，确保维护人员、资金、技术的有效投入，保证仪器正常运行。

【参考文献】

[1]林祚顶 水文现代化与水文新技术 北京：中国水利出版社，2008.

[2]吴汉，宋丽琼 雷达测速仪水文测验的应用研究[J].水文，2014，7.

[3]《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）

[4]《水文资料整编规范》（SL 247-2012）

作者简介：曾辉，男，1965年生，工程师，长期从事水文测验、资料整编、水文站网建设工作。