雷达波河道流量测验若干问题解决方案和试验分析

◎周永章

1 引言

水文测验是收集水文资料的主要途径。多年来水文测验工作按照传统方式进行数据的采集，取得大量的珍贵数据。但是传统的测验模式存在较多的不足，近年来随着经济社会对水文工作提出了更高的要求，特别是近年正在实施的中小河流水文监测系统建设，需要在较多中小河流上新设水文站，这些站多数为防汛专用站，远离城镇而且地处山区，具有山区河流暴涨暴落，漂浮物多、流速大等特点，采用传统测验模式驻守观测相当困难。雷达波测流技术的主要特点是传感器不需要入水，测流系统土建简单，便于随时维护，少受水毁影响，不受污水腐蚀，不受泥沙影响，保障人员安全，容易实现实时在线测流。不仅可用于平时环境监测，而且特别适合承担急难险重观测任务，因此对于在广大中小河流和陡涨陡落山区性河流的特定环境，具有明显优势。

在省局领导的大力推动下，2011年我们在汉江上游支流湑水河升仙村水文站，引进了先进的雷达水位计和雷达流量计测流系统，开始进行雷达波测流的应用研究，并利用该站有利的设备安装条件，历时三年通过变换仪器安装高度、变换固定垂线位置等多项对比观测实验工作，对雷达波测流中需要解决的问题和处理方案进行了深入研究，取得大量对比试验数据；分析研究了影响雷达流量计河道流量测验精度的主要因素，对雷达流量计流量测验进行进一步认识，为该类仪器推广应用积累经验。

2 试验站概况

升仙村水文站（以下简称试验站）是汉江上游北岸支流湑水河上的控制站，位于陕西省城固县桔园镇升仙村，地处东经 107°16′，北纬33°16′，控制流域面积2143km2，距河口距离24km。该站测验项目有水位、流量、泥沙、降水。1940年设站以来实测最大流量3130 m3/s（1980年7月3日），历史调查最大流量6380m3/s（1864年）。该站测验断面河宽176m，中泓位置大致在60m～80m，河道断面基本稳定。左岸为沙石河滩，右岸为人工砌护堤岸。河床由沙卵石组成，冲淤变化不大，测流断面以上1000m处有湑惠渠拦河大坝1座，并有东、西引水渠道，最大引水流量18m3/s。该站测流断面图见图1。

试验站测验断面距离站房约1km距离较远，观测道路为农村机耕路，路况差，遇到洪水期，交通极为不便，测验工作存在较大困难。为了解决该站测验上的困难，2011年引进了先进的雷达水位计和雷达流量计，进行对比观测试验研究和分析工作。

图1 升仙村水文站2012年实测大断面图

图2 雷达波测流系统构成图

图3 雷达波测流设备安装图

3 试验设备构成和安装

雷达波测流系统由雷达波传感器、流速信息采集终端RTU、12v免维蓄电池、太阳能板及充电控制器、通讯设备（数传电台）、台式电脑等构成。测流系统构成见图2。雷达波传感器采用德国SEBA公司生产的RG30雷达流量计，主要性能指标见表1。

表1 RG30雷达流量计主要指标表

根据测站所处的地理位置、地质情况，以及河道特性、水流条件、水位变幅、岸坡形式等，选择在主索行车架上安装高频雷达波传感器、信息采集控制系统和太阳能供电系统，整个系统可以随行车架移动，并且不影响原测验缆道的正常使用。设备安装见图3。

4 雷达波测流若干问题的解决方案和试验分析

4.1 雷达波测流原理

雷达波测流主要系利用多普勒效应（Doppler Effect）原理。当传感器向非均匀流水体表面发射雷达波时，非均匀流表面的雷达波反向散射体会导致多普勒频移的发生，接收器接收到的是频移以后的反射波，如此即可借由频率的改变数值，计算出非均匀流表面与雷达的相对速度，从而测得被测点的流速。断面平均流速下式计算：

式中：Vm——断面平均流速（m/s）；

Vi——水面测点的（代表）流速（m/s）；

K——转换系数。

图4 雷达流量计施测虚流量与过坝流量相关图

图5 仪器固定起点距80m不同高度试验相关图

图6 仪器安装不同起点距离位置试验数据相关图

流量最终计算如下：

式中A（h）为过水断面面积（m2,与水深有关）。

4.2 雷达波测流若干问题的解决方案和试验分析

根据雷达波河道流量测验的原理河道流量的测验,主要决定于断面代表流速Vi的采集和转换系数K的确定。

4.2.1 代表流速Vi的采集

雷达波测速仪是非接触式表面流速测验的仪器，一部雷达波测速仪只能测断面上一点（很小范围可视为点）的流速，代表流速Vi则为断面上若干个（一个至多个）点流速的某种组合。该测量方法有一个前提，即代表流速与断面平均流速要具有较好的单值对应关系。如果代表流速为一部传感器测得的一点流速，则该点位置的选择尤为重要。可以根据不同情况进行综合分析确定。对于河床比较稳定的测验断面，有条件时应通过实测高、中、低不同水位计断面流速横向分布来确定测点位置；已经具有资料的测站可根据历史实测资料分析确定河床稳定而且中泓位置固定的“V”型小河，可通过目测确定。

试验站雷达波测速仪安装在缆道行车架上，可随行车架移动，固定位置应是断面代表垂线流速与断面平均流速关系相对稳定的垂线位置。2012年初仪器安装到位后，为了有效开展对比试验分析首先进行了雷达流量计固定位置的分析。通过选择历史上较大洪水过程的流量测验原始成果，分析起点距20m～120m垂线流速的代表性。通过分析，该站测验断面起点距60m的垂线流速与断面平均流速的关系相对比较稳定，其相关系数为0.9981，故将雷达流量计的单点固定测流位置确定在起点距60m处。

4.2.2 转换系数K的确定

转换系数K可通过模型计算或通过不同水位级的比测试验资料分析确定关于模型计算方法可参阅有关文献，本文不作详述。

通过在试验站用雷达波测速仪在固定起点距60m处实测水面点代表流速计算断面虚流量，同时实测断面流量，共开展110次比测试验，比测最大流量2379m3/s。虚流量与对应的实测流量进行相关分析计算，相关关系见图4。经计算其相关系数为0.9981，回归方程为：

式中：Q——实测流量（m3/s）；

Q虚——雷达流量计实测虚流量（m3/s）。

K——流量转换系数，固定一点法时为表面流代表流速与断面平均流速换算系数。

经过相关计算，确定固定位置表面流代表流速与断面平均流速换算系数K=0.781。

通过转换系数K计算流量与实测流量进行误差分析，按照《河流流量测验规范》（GB50179-93的规定，该站流量在50m3/s以上时，测验误差达到规范要求，并且经过2012年～2015年校测，最大流量测验幅度达到二十年一遇，转换系数K比较稳定。

低水流量测验试验分析

经过试验数据误差分析，试验站流量在50m3/s以上时，雷达波传感器单一固定位置安装测流效果很好，流量测验精度满足规范要求，但是流量在50m3/s以下时，误差较大。为了分析低水测验误差较大的原因，利用试验站现有的设备条件和该站的实际水流特性，在该站分别进行了固定测点对比试验、多线对比试验、仪器安装不同高度对比试验、不同固定位置的比测试验。各种比测试验情况如下：

4.2.2.1 改变仪器安装高度试验。改变仪器安装高度，主要目的是增加雷达波信号的强度和灵敏度。试验时将雷达波传感器由原来离水面高度8m改变到2.5m进行试验，实验数据相关关系线见图5。从试验结果看未能明显提高精度。

4.2.2.2 采用多线多点法比测试验。多线多点发比测试验，就是在一次试验中取多条垂线位置的流速平均值作为代表流速，目的是增加代表流速的代表性。通过比测资料分析，在试验站也不能得到比较稳定的转换系数。

4.2.2.3 改变固定点位置比测试验。改变固定点位置的目的，是探求在低水时固定点代表流速的稳定性。试验站测验断面为“U”型，流量在50m3/s以下时，水面宽度85m，平均水深0.84m,宽深比100，属于明显的宽浅型。试验时将雷达波传感器分别安装在起点距60m、70m、80m、90m，比测结果见图 6。通过2014年前半年比测资料分析，在起点距80m处相关点比较集中，相关系数达到0.92。说明在起点距80m处代表流速的代表性较好。但是在经过一次洪水过程以后，后半年在起点距60m处流速的代表性又明显好于80m处，仪器实测虚流量与实际流量点群集中，关系较好，相关系数达0.92，说明在此阶段低水部分在起点距60m处代表流速的代表性好。经过计算标准差为9.8%，随机不确定度为19.6%，随机不确定度接近《水文巡测规范》中二类精度站流量系数相关定线允许误差18%标准。

4.2.2.4 影响河道流量测验精度的主要因素分析

（1）风力风向对测流精度的影响。在雷达波流速仪测量水面流速时，水面如果有风，则顺风水面流速会增大，逆风水面流速会减小。水面流速越大，测验精度受风的影响相对要小，流速越小，影响相对较大。这个问题的处理方法可在比测试验时，同时观测风向和风力等级，对比测成果数据进行修正。试验站位于湑水河出山谷的谷口开阔地带，历来风速较大，在低水时由于风力吹动水面，通过雷达测速仪测得流速波动较大，从而影响低水测验精度。

（2）测流角度和测流历时的影响。从理论上说，在测流角度上，雷达波测速探头俯角越大，与水面接触面越小，回波信号越弱；俯角越小，与水面接触面越大，回波信号越强。在暴雨情况下测流时，虽然多普勒雷达波测速传感器设计了自动转换降雨模式功能，雨强较大时仍然会有影响，所以在测流操作中应该调到降雨影响最小的俯角（60°）。对于低水流速较小时，在测流操作中，为加大雷达波与水面接触面，测流角度应该调到与水面接触面最大的俯角（30°）。

在测验历时上，由于流速越大每秒测得流速数据越多，流速越小每秒测得流速数据越少，所以流速大时，测速时间可短些，流速小时，测速时间应长些。

（3）低水河道控制条件变化的影响。低水位级断面比较宽浅的“U”型河道，由于过水断面的宽深比加大，水流控制条件多变，单一点流速的代表性较差。这时可以采用多点测流一般能够提高测验精度。通过试验站试验分析，在低水比较宽浅的河道，如果控制条件不稳定，将是影响低水流量测验精度的主要原因，需要找到控制条件相对稳定时段具有代表性的固定安装位置，通过比测试验分析，才能保证流量测验的精度。

5 结语

采用雷达流量计施测流量，具有测验设施安装简单、不受水草和漂浮物影响、安全性高、容易实现河道流量的实时在线监测的优势。通过比测资料进行系统的分析，试验站流量在50m3/s～22379m3/s时，测验精度达到《河道流量测验规范》（GB 50179—93）浮标法测流精度标准，是一种值得在山区中小河流测站中推广应用的测流手段。

雷达波测流主要需要解决两个问题；一是传感器安装位置的选择，找准具有较好代表性的点流速位置是实现雷达波测流的关键之一；二是如何确定转换系数K值，确定K值必须要通过符合条件的比测途径。

影响雷达波测流精度的因素较多，但是在一个具体的测验断面，只有一两个主要关键影响因素，具体测验断面，需要具体分析。比如，低水相对宽浅的河流，其固定代表点流速的位置可能是关键因素。陕西水利