S3-SVR雷达流量计在南宽坪水文站流量测验中的应用分析

徐建平

（陕西省商洛水文水资源勘测局 陕西 商洛 726000）

1 南宽坪测站基本概况

南宽坪水文站设立于1959年1月，位于陕西省山阳县境内，东经109°54′北纬33°18′，为汉江左岸一级支流金钱河干流控制站，控制面积3936km2，距河口96.7km。观测项目有水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水质等内容。

南宽坪水文站测验断面由沙砾石组成，冲淤变化很小较稳定，多年水位流量关系线较好，中高水基本为单一线。

图1 南宽坪水文站大断面图

南宽坪水文站断面基本稳定，15年来没有大的冲刷，左岸是人工河堤，右岸为河滩地，再向右就是大山。

南宽坪站水位流量基本稳定。1984年迁移到该断面后，水位流量中高水基本是一条曲线，只有小水时呈现分叉。历年水位流量关系线基本就是2、3条，最多不超过4条。

为抢测洪峰，缩短测验历时，增加测验安全性，提高测验精度，2013年南宽坪水文站引进了S3-SVR型缆道雷达流量计测流设备。

S3-SVR型缆道雷达流量计工作原理：S3-SVR型缆道雷达流量计是采用接触式测流手段，利用多普勒原理处理水面回波，测得水面流速的设备。其测流原理是：借用已测的测验断面图，依据当时水位，获得过水面积，利用水面流速与垂线平均流速的关系，计算所得断面通过的流量。

雷达流量计技术指标：

测速原理：多普勒雷达

测速范围：0.20m/s～18.00m/s

测速精度：±0.05m/s

测速历时：0～99.9 s

适用环境：全天候，雨天可正常测流

图2 2013年水位流量关系线

2 雷达流量计系数对比试验

为确保引进的新测流设备性能可靠，在不同水位级测得的流速精度都能达到规范要求，逐步代替流速仪测流的传统方法，对引进的S3-SVR型缆道雷达流量计进行对比试验分析。

受测站的地理环境、流速、含沙量等因素的影响，无法确定雷达流量计是否适合于该站水流特性。为了保证雷达流量计的测验精度，使测验资料可靠性有所保证，笔者在本站进行了雷达流量计系数的对比试验，并进行了分析。

2.1 对比试验分析的方法

在不同水位级用旋浆流速仪施测断面垂线流速的同时，用S3-SVR型雷达流量计在同一位置施测水面流速，分别计算流速仪法施测的流量和S3-SVR型雷达流量计施测的流量，建立相关关系，分析线性关系，确定相关系数。

表1 南宽坪站雷达流量计水面系数计算表

图3 雷达流速仪系数关系线

2.2 对比试验

南宽坪水文站S3-SVR型雷达流量计系数试验，同时用流速仪和S3-SVR型雷达流量计施测流量。2013年5月至2014年10月共试验43次，水位变幅为491.99m～496.60m，流量变幅为 3.50m3/s～1270m3/s。其中有8次误差较大，经分析原因：对比测验不规范，以及水草、雷电、风、雨干扰所致，产生伪数据，属偶然误差，予以剔除。对其余35次进行分析。雷达流量计虚流量成果对比表，见表1。

3 回归计算分析

3.1 回归计算

将流速仪法实测断面流量与S3-SVR型雷达流量计法实测断面虚流量进行比较，点绘流速仪断面流量与用雷达流量计实测断面虚流量关系图，采取回归计算得到公式：Y=0.85X。

按照《流量测验规范》（GBT50179-1993）的规定，雷达流量计系数应为流速仪法实测断面流量与雷达流量计实测虚流量的比值，计算雷达流量计系数为0.85，相关系数r=0.9988。资料的线性相关性比较好。S3-SVR型雷达流量计系数与本站试验的流速仪水面系数相同，同为0.85，符合常规。

本相关分析中，①存在成因关系。将8次误差较大的点剔除，不是因为误差大而剔除，而是本身在试验中受外因干扰而剔除。②比测资料在35次以上，满足规范规定的比测次数要求。③相关关系较好。

3.2 误差分析

经分析，计算采用回归分析的系数误差偏大，故采用水平系数平均值0.85。以该系数乘以雷达流量计所测断面流量，与流速仪法计算流量进行比较，并进行误差计算。误差小于8%的占试验次数82.9%；误差小于10%的占试验次数91.4%；误差小于12%的占试验次数100%，经过计算，标准差6.1%，随机不确定度为12.2%，符合《资料整编规范》表3.3.2第二条二类精度水文站系统误差±1，随机不确定度小于10%，采用ADCP测流的随机不确定度可增大2%，采用浮标法测流定线，随机不确定度可增大2%～4%变为12%～14%之规定。

4 结果分析

通过流速仪与S3-SVR型雷达流量计对比分析，最大相对误差最大为10.8%，最小为0.3%。经回归分析，S3-SVR型雷达流量计与流速仪测得流量相关程度达0.9988，相关性好。S3-SVR型雷达流量计水面流速系数与流速仪测流水面系数相同，均为0.85。说明S3-SVR型缆道雷达波测流设备（美国ACI公司多普勒雷达波测速传感器www.stalkerradar.com），在商洛金钱河南宽坪水文站河道断面流量测验中，资料精度能达到《流量测验规范》和《资料整编规范》要求，该仪器可以作为流量测验仪器在断面测流中使用。

针对金钱河河流特性，将S3-SVR型雷达流量计悬挂在缆道铅鱼上，连续施测三次，取其平均值作为断面平均流速，乘以已知的断面面积，即得断面流量。通过比测分析发现，在使用该雷达流量计时，还应做到：

（1）雷达流量计工作环境温度范围为0℃～45℃。雷达波流量计测验时，俯角要保持45°，探头要平行于缆道，对准上游某一区域。出现测速不稳定等异常情况时，可适当调整雷达流量计位置，再继续进行测流。

（2）洪水期，水流流速及水面波浪很大时，同点测量结果相差较大，此时应在同点进行多次测流，并去除异常数据后，取其平均值作为该点流速。

（3）雷达流量计距水面0.5m～5.0m时，所测流速基本一致，若超过此距离，应尽量调整，确保测验质量。

（4）测流历时在30s与99.9s测取结果一样，因而测流时间选取30s，即可达到要求。

5 结语

为实现流量24小时在线监测，以后逐步建立点流速与断面平均流速关系，以点流速代表断面平均流速，从而实现流量在线监测目的。即以断面某一点的水面流速与断面平均流速的关系或系数，代表断面平均流速。采用固定点测流，实现24小时流量在线，是水文发展的方向。本比测是实现流量在线监测、提高测验时效性的重要前提。本人对南宽坪水文站的雷达流量计使用比测分析正是先行一步，为全面推广雷达流量计测流探索出路。陕西水利