雷达波实时在线测流系统在丽江市的应用

杨建东，方金鑫，姜 敏

（丽江市水文水资源局，云南 丽江 674200）

雷达波实时在线测流系统在丽江市的应用

杨建东，方金鑫，姜 敏

（丽江市水文水资源局，云南 丽江 674200）

针对传统的河道流量测验方式自动化水平低，难以适应当前水文测验点多面广、任务繁重的新形势，丽江市水文水资源局在仁里水文站等 12 个站点安装非接触式雷达波流量测量设备（RQ-30），建成丽江市河道水位流量实时在线监测系统。通过分析设备的工作原理，性能特点，对比分析实测资料，在线测流设备各项指标符合《河流流量测验规范》要求，改善水文测验人员的工作条件，减轻劳动强度，提高预警预报的时效，可以作为中小河流水位流量自动监测的主要设备。

雷达波；流量；RQ-30；应用

0 引言

近年来，随着中小河流水文监测系统建设项目的实施，各类水文站点数量大幅增加。2010年底丽江市共有水文站 6 个，水位站 1 个，雨量站 45 个，2016年底发展到共有水文站 13 个，水位站 6 个，雨量站 125 个，水文站增加了 116.7%，水位站增加了500.0%，雨量站增加了 177.8%。各类站网的补充和完善增强了水文为地方服务的能力，同时也给水文部门带来了巨大的挑战，为此丽江市水文水资源局在全市 12 个水文站安装了非接触式雷达波水位流量实时在线监测系统。通过 2016年汛期的运行，对实测资料进行对比分析，积累雷达波在线测流技术经验，具有十分重要的意义。

12 个自动监测站建设在丽江市一区四县，分别是仁里、总管田、木家桥、来远桥、庄房、石龙坝6 个国家基本水文站和巨甸、永胜、干田湾、战河、永宁、华坪 6 个中小河流水文站。各站点的河流特性不同，流域面积最小的是永胜站（72.7 km2），最大的是总管田站（2 083.0 km2）；流速最大的是来远桥站（5.28 m/s），最小的是永胜站（0.00 m/s）；仁里、木家桥、来远桥、巨甸、永胜、战河、永宁、华坪8 个水文站河床稳定，水位流量关系曲线呈单一线；总管田、庄房、干田湾 3 个水文站受冲淤变化影响，水位流量关系曲线呈临时曲线；石龙坝站受洪水涨落率影响，水位流量关系曲线呈绳套线。中心数据平台建设在丽江市水文水资源局。

1 雷达波实时在线测流系统介绍

雷达波实时在线测流系统由自动监测站和中心数据平台组成。自动监测站将水位流量信息实时同步自动采集、控制及存储，并通过无线网络将数据传输到中心数据平台，根据中心数据平台下传的指令集，进行监测频次更改、监测过程控制、数据提取等，实现实时在线监测。中心数据平台负责 12 个自动监测站的运行管理和系统信息收集、处理、入库和应用等。

1.1 自动监测站

自动监测站包括：非接触式雷达波流量测量设备（以下简称 RQ-30）、遥测数据采集终端、通信设备、实时监测数据显示屏、太阳能电池、蓄电池、防雷设施、设备安装支架等。本应用主要介绍RQ-30 和遥测数据采集终端。

1.1.1 RQ-30 工作原理

RQ-30 是一种非接触、低功耗、低维护的全自动远程流量监测设备。它利用非接触式波谱技术对河流水位和流速开展自动测验，并将数据传输到中心数据平台。测流原理图如图 1 所示。

图 1 测流系统原理图

流速测量利用多普勒频移效应原理，仪器发送固定频率雷达波（24 GHz）斜向射到水面，一部分雷达波被水面波浪反射回来，反射回来的雷达波产生多普勒频移信息被仪器接收，测出反射和发射信号的频差，就可以计算出水面波浪的流速，由于水的表面是波浪的载体，可以认为波浪和水面流速相同[1]。计算公式为

河道流量 Q 计算公式为

截面积可通过测量点剖面形状与实际水位测量得出。测速雷达测出的测量点局部流速与断面平均流速符合以下关系：

应用上式计算流量时，需建立一张水位与截面积关系的表格并录入 RQ-30 里，此表格样例可由程序 RQ Commander 生成，K 系数表由 the Sommer RQ Commander 模型模拟测点算出，保存在 RQ-30 里。

1.1.2 遥测数据采集终端

遥测数据采集终端选用 YDH-1FS，该设备是稳定可靠的定型产品，满足水文测验和报汛技术要求，能实现多信息源数据采集和多信道数据传输。具有自动实时采集、存储水位流量数据，甄别和补发漏报数据，增量和定时自报，接受中心数据平台管理，通过 GPRS 与中心数据平台实现双向通信，远程诊断，远程设置与维护等功能。

1.2 中心数据平台

中心数据平台主要由软件（实时数据接收、处理、转发、查询、共享等）和硬件设备（数据接收处理单元）构成，主要功能是：实时监测水位、流量信息，并整合到同一数据平台，遥测状态管理，遥测数据处理，实时数据存储、入库及上网传输，遥测数据统计分析，自动生成常用的数据表格，包括：水位日报表、逐日平均水位表和流量表、水文要素摘录表等。生成的报表可以打印或存入文件中。

2 雷达波实时在线测流系统的特点

1）安全、高效。实现自动测量，降低人力成本和劳动强度。能够解决常规水文测验方式无法实现高流速时洪水流量自动测量问题，缩短了流量测验周期，提高了报汛实效，更能保障测验人员安全。

2）自动化程度高。实现全天候自动在线监测，自动传输，在线查询，不间断跟踪测量，并能够及时捕捉洪水涨落、河床冲淤、潮汐变化、绳套效应等信息。通过设置，最低可达到 5 min 发送水位、流速、流量等数据，样本多，为后期分析提供大量的数据支撑。

3）抗干扰性强。不受天气状况、漂浮物、水体气泡、泥沙、河底水草等外界因素的干扰，设备可靠，维护成本低。

4）设备性能好，技术领先。采用平面数字雷达固件，回波质量高，测速范围大（0.15～15.00 m/s），野外条件下测速精度为 0.01 m/s。集成雷达水位计，精度高（± 2 mm），测量范围大（0.5～35.0 m），数据稳定。

3 典型站比测分析

RQ-30 通过监测水位和流速计算流量，因此流量的精度主要来自水位和流速的精度。应用雷达波测量河道水位已有较长的时间，技术成熟，测量精度能够满足 GBJ 138—90《水位观测标准》的规定，不再做水位误差分析。只依据 LS25 型流速仪所测流量数据，对 RQ-30 所测流量数据进行误差分析。

3.1 典型站选择

选择代表性强，比测次数大于 20 次的仁里、石龙坝和总管田水文站作为典型站。选取的典型站分别代表了丽江市的 3 种河流特性：1）河床稳定，水位流量关系曲线呈单一线，如仁里站；2）受冲淤变化影响，水位流量关系曲线呈临时曲线，如总管田站；3）受洪水涨落率影响，水位流量关系曲线呈绳套线，如石龙坝站。

3.2 误差分析

根据 LS25 型流速仪实测流量的时间摘录 RQ-30测量的流量数据，绘制 2 种测验方法的仁里站、石龙坝站和总管田站水位-流量关系曲线，分别如图 2，3，4 所示，由图可以看出各站的水位流量关系点子密集，分布成带状，没有明显的系统偏离。

图 2 仁里站水位-流量关系曲线图

图 3 石龙坝站水位-流量关系曲线图

图 4 总管田站水位-流量关系曲线图

为了进一步分析 2 种方法的流量测验误差，自2016年 6—10月，仁里、石龙坝和总管田 3 个典型站共对比测量流量资料 78 次，分别计算 3 个站的相对误差、系统误差、标准差和总不确定度[2]，分析成果如表 1 所示。

式中：δQi为相对误差；Q0i为 LS25 型流速仪所测流量；Qci为 RQ-30 所测流量；Sc为标准差；为RQ-30 所测流量均值；为 LS25 型流速仪所测流量均值；n 为测次总数。

依据以上公式进行误差计算，仁里、石龙坝和总管田站的系统误差分别是 0.70%，0.50%，0.62%；总不确定度分别是 9.95%，10.97%，7.98%。

参照 GB 50179—2015《河流流量测验规范》均匀浮标法单次流量测验允许误差标准的规定[4]，仁里、石龙坝和总管田站的系统误差均在 -2～1 的误差指标允许范围内，总不确定度都小于 11% 的误差指标，3 个站的 RQ-30 所测流量数据满足国家二类精度水文站浮标法单次流量测验允许误差的规定。

3.3 相关分析

根据仁里、石龙坝和总管田水文站的比测流量，利用 Excel 进行相关分析，绘制 3 个典型站的回归直线图，分别如图 5，6，7 所示。

图 5 仁里站比测数据回归直线图

通过相关分析，仁里站的相关方程是：y = 1.002 2 x - 0.210 2，相关系数 0.998；石龙坝站的相关方程是：y = 0.978 2 x + 2.206 4，相关系数 0.991。总管田站的相关方程是：y =1.013 3 x - 1.446 9，相关系数 0.992。可以看出 LS25 型流速仪和 RQ-30 流量数据的相关性很好，3 个站的数据相关性都在 99%以上。

图 6 石龙坝站比测数据回归直线图

图 7 总管田站比测数据回归直线图

4 结语

非接触式雷达波表面流速测流法是水利部《中小河流水文监测系统建设技术指导意见》推荐的河道流量测验方法之一[5]，该技术在丽江市河道测流中得到了较为普遍的应用。作为传统方法的补充和替代，不但提高了资料的完整性和可靠性，减轻了劳动强度，提高了测流成果的时效性，尤其是它能够长期自动测量和输出数据的特点，使天然河道流量自动监测成为可能，从而进一步提高了水文测报的自动化水平，可以作为中小河流流量在线自动监测的设备推广使用。

[1] 王俊，熊明. 长江水文测报自动化技术研究[M]. 南京：河海大学出版社，2007: 98-100.

[2] 钱学伟，陆建华. 水文测验误差分析与评定[M]. 北京：中国水利水电出版社，2007: 1-94.

[3] 金光炎. 水文水资源应用统计计算[M]. 南京：东南大学出版社，2011: 51-56.

[4] 中华人民共和国水利部. 河流流量测验规范：GB 50179—2015[S]. 北京：中国计划出版社，2016: 85-86.

[5] 水利部水文局. 中小河流水文监测系统建设技术指导意见[A]. 北京：水利部水文局，2011: 6-8.

Application of radar real-timeand on-line flow measurement system in Lijiang City

YANG Jiandong, FANG Jinxin, JIANG Min
(Hydrologyand Water Resources Survey Bureau of Lijiang City, Lijiang 674200, China)

Theautomation level of traditional way of discharge measurement is low, which cannotadapt to the new situation of more test point in broadareaand hard mission. Lijiang Hydrology Bureau has builta real-timeand on-line stage-discharge measuring system，byadpoting radar discharge measurment（RQ-30）in 12 sites，suchas Renli site. Throughanalyzing the working principleand performance characteristics of the equipment, comparingandanalyzing the measured data, it is proved that the indicators meet the requirements of “Code for liquid flow measurement”. The on-line flow measurement equipments improve the working conditions of hydrological test personnel, reduce labor intensity, improve the timeliness of early warning forecast, can be usedas the main equipment of smalland mediumsized river water stage-dischargeautomatic monitoring.

radar wave; discharge; RQ-30;application

TN95；P332.4

A

1674-9405(2017)02-0050-04

10.19364/j.1674-9405.2017.02.011

2016-12-13

杨建东（1971-），男，云南永胜人，工程师，主要从事水文基础设施建设、水文测报自动化技术研究工作。