非接触缆道雷达波流量测验系统在崇阳（二）水文站的应用

王力 瞿兰兰 张弛

摘要：雷达波流速仪具有测量速度快、可靠性高、安全性强等优势，在水文勘测中得到了广泛应用。为了更好地控制崇阳（二）水文站洪水流量变化过程，并解决其在洪水抢测中存在的问题，通过对传统流量测验与雷达波流量测验的对比分析，对其在流量测验中的改正系数进行了率定。流量比测结果表明：系统误差不符合相关规范要求，建议在未来测验过程中尽量避开水流出现紊流、水位涨落率大以及风速大等情况。

关键词：雷达波测流;流量系数;比测分析;崇阳（二）水文站;陆水流域

中图法分类号：P332.4

文献标志码：A

文章编号：1006-0081（2020）12-0013-04

雷达波流速仪不受水中含沙量、漂浮物和气候条件等因素影响，具有测量迅速、可靠性高、安全性强等特点，在水文勘测中应用较为广泛。为了更加完整地控制洪水流量变化过程，在陆水水库主要控制站崇阳（二）水文站，使用雷达波非接触流量测验系统与常规测流方法进行同步测验，确定雷达波流量测验系数，以期解决该站在洪水抢测中所面临的困难。

1水文站概况

崇阳（二）水文站是控制陆水水库上游陆水河水雨的国家基本水文站（见图1）。流域控制面积2200km²，来水主要源于断面上游区间降雨，属典型的山溪性小河控制站。测验河段顺直长度约800m，主槽宽约170m，断面呈“U”形，较为稳定，测站控制良好。主泓居中，流速分布与主泓相应，高水时主泓略有摆动。断面上游700m处有径流式电站;下游约4km为高堤河与大市河汇合后注入陆水河的人口。水位在51.6m以下时起点距50m以下为死水，水位在59.5m以上时右岸出现漫滩。当不受下游水库顶托时，水位-流量关系曲线一般为单一线;当顶托较为明显时，水位-流量关系曲线簇左偏并形成绳套。

2非接触流量测验系统概述

非接触流量测验系统是根据中小河流水流急、漂浮物多、河水陡涨陡落等特点而设计的流量测报系统。此次比测在崇阳（二）水文站安装一套在线遥控多探头雷达波数字测流系统，传感器安装于缆道行车下方5m处，采用太阳能供电，通过通信电台与站房内设备通信。测验包含了固定在缆道上的前端设备和后方的通信电台、测流软件两大部分，其中前端设备包含RG30传感器、RTU、锂电池、充电控制器、太阳能板、通信电台，见图2。

缆道式非接触测流系统由雷达波测流仪、数据采集传输系统、供电系统和测流软件等组成。雷达波测流仪和数据采集传输系统在非工作时段处于低功耗休眠状态;测流软件在工作时启动测流，可在1s内自动唤醒前方设备，开始逐垂线采集流速并传输。采集结束后，测流软件通过人工录入的水位或自动提取水位进行流量计算成果输出。测量结束后，前方设备进入低功耗休眠状态。

缆道式非接触测流系统利用无线遥控、缆道定位和测流软件，通过在电脑上远程操作，完成固定垂线的水面流速测验。测流断面的实测流量为固定垂线的水面流速、过水断面面积和流量系数的乘积。该方法可替代传统流速仪法及浮标法，从而实现流量的在线监测。因此，需要率定表面流速系数（即流量系数）才能使用该方法进行流量测验。

3流量比测

3.1比测目的

崇阳（二）水文站处于陡涨陡落的山区河流，水位变化急剧，峰顶持续时间极短，高水时漂浮物多，对流速仪施测有一定的影响，且该站受上游电站开关闸和下游陆水水库高水顶托影响，难以通过流量测验掌握实际水文情况。为了分析全自动雷达波在线缆道测流系统（以下简称“雷达波系统”）所测流量与该断面稳定流量的相关关系，充分发挥其无人值守、实时监测的优势，采用LS25转子式流速仪与雷达波系统测流进行比测，对比分析两者流量测验成果。

3.2比测方式和结果

（1）比测断面为崇阳（二）水文站流速仪测流断面。

（2）比测仪器采用雷达波系统和LS25转子式流速仪。

（3）比测方法。2017～2018年对崇阳（二）水文站采用缆道流速仪测流，流量常规测验方法见表1。在转子式流速仪测速的同时，雷达波系统同步施测，在线监测探头安装于行车下方。雷达波系统虚流量利用流速仪断面水深和流速进行计算。

（4）比测次数。2017～2018年各级水位共进行了35次流量比测，每次测有5～8线，即测速比测次数约210次。在34次流量比测中，实测最大流量2590m³/s，相应水位58.74m;实测最小流量126m³/s，相应水位51.39m，水位变幅7.35m。流量比测包括了所有水位级，原始分析资料准确、可靠，比测成果合理。

（5）误差分析。测验中发现，当水流出现紊流时，雷达波系统施测不到流速，应查明原因，消除影响后方可使用。当水位变化急剧时，由于所需测流时间差异，水位变幅不一致，可能导致该系统所测流量与流速仪施测结果差异大。对于低速水流，风速的影响也极大，因此测量结果可能无法反映实际流速。

3.3流量比测数据分析

（1）分析方法。同一水位下，LS25转子式流速仪所测流量为纵坐标、雷达波系统同步所测流量为横坐标，点绘关系图，对比分析后得出关系式。

（2）相关系数分析。通过采用LS25转子式流速仪实测流量与雷达波系统实测流量进行曲线拟合，通过数据分析，将流量分成不同流量级。当流量小于2000m³/s时，综合相关系数R²=0.9892，LS25转子式流速仪实测流量与雷达波系统实测流量为线型函数关系，关系式为y=0.8161x，线型关系见图3。当流量大于2000m³/s时，综合相关系数R²=0.9029，关系式为y=0.7449x，线型关系见图4。

（3）关系线检验。从分析成果可见，比测中有34次转子式流速仪与雷达波系统实测流量大致符合线型函数关系，可用于崇阳（二）水文站雷达波系统流量系数率定分析。根据GB 50179-2015《河流流量测验规范》要求，在测站正式投入使用前，各种方法所使用的仪器应与流速仪进行比测，并应符合以下条件：比测随机不确定度不应超过6%，系统误差不应超过士1%。经检验计算，随机不确定度为10.8%，系统误差（P（平））为0.97%，不符合GB50179-2015《河流流量测验规范》要求，检验成果详见表2。

4结论

（1）雷达波系统实测流量与LS25转子式流速仪实测流量关系大致符合线型函数关系，但比测随机不确定度为10.8%，系统误差为0.97%，不符合《河流流量测验规范》要求。

（2）当水流出现紊流时雷达波系统施测不到流速，应查明原因，尽快消除影响;当水位变化急剧时，由于所需测流时间上的差异，雷達波系统测得的流量与流速仪测得的流量差异较大，水位变幅不一致。对于低速水流，风速的影响也极大，因此测量结果无法准确反映实际速度。误差分析结果表明：为将缆道雷达波测流系统受到外界因素影响降到最小，建议在未来测验过程中尽量避开紊流、水位涨落大以及风速大等情况。

（3）雷达测流虚流量为100～2000m³/s，综合相关系数为0.9892;2000m³/s及以上虚流量的综合相关系数为0.9029，故不可直接将其应用于非接触流量测验系统的参数设置。建议该测流方式仅在日常流量测验中使用，适时增加比测次数，增加比测样本，以满足不同水位级分析资料需求。

（编辑：李晓濛）