雷达（RG—30）流量在线监测系统应用研究

朱治雄 谢永勇 高夏阳 高宇星

摘要：雷达（RG-30 ）流量在线监测系统通过信息采集、计算机处理、网络数据传输等先进技术，将传统的人工监测水文要素转变为信息采集、计算、存储、传输等一体化的自动监测过程。与流速仪法进行的比测结果表明：该系统具有性能稳定、适用范围广、自动化程度高等特点，符合相关规范规定，可以推广应用。

关键词：在线监测；流量监测；雷达；西总水文站；青铜峡水库

中图分类号：TV213；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.003

1 概述

1.1 青铜峡西总水文站基本情况

青铜峡西总水文站由黄委于1960年1月设立，目的在于观测河西总干渠水沙量变化，为青铜峡水库调度运用及下游农田灌溉提供用水依据，为下游提供水情和搜集基本水文资料。该站是河西总干渠的控制站，测流断面上游825m处为青铜峡水库。受上游电站1号、9号机组出水口影响，以及下游黄河1号退水闸、泰民渠闸门、西干渠闸门等建筑物的影响，测验河段内水流流态变化复杂，水位一流量、水位一流速关系测点分布较为散乱。长期以来，为切实掌握测验河段的流量变化过程，青铜峡西总水文站进行了频繁测流，不过仍很难满足切实掌握流量变化过程的要求，流量测验强度大成为该站工作的特点。目前该站采用的常规流量测验方法为测船流速仪法和铅鱼缆道流速仪法。

随着社会经济的发展，要求进行水资源精细化管理，而现有的传统水文测验方式已很难满足水文自动化、信息化等的要求。只有采用水文要素自动化监测、信息网络化传输等现代化手段，才能为水资源管理和社会经济的发展提供可靠保障。

1.2 应用研究的依据及技术标准

水位比测依据《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）[1]的规定：比测时，可按水位变幅分几个测段分别进行，每段比测次数应在30次以上。比测结果应符合以下规定：①一般水位站，置信水平95%的综合不确定度应为3cm，系统误差应为±1cm；②石英钟走时误差每日不应超过±3min，

流量比测依据《河流流量测验规范》（GB50179-2015）[2]的规定：比测宜在水流相对平稳时进行，并应在高、中、低不同水位（或流量）级下均匀分布测次；比测有效次数不应少于30次；比测随机不确定度不应超过6%，比测条件较差的不应超过7%；系统误差不应超过±1%，条件较差的不应超过±2%。

2 雷达（RG-30）流量在线监测系统简介

2.1 系统原理

雷达（RG-30）流量在线监测系统以面积一流速法为基础，采用多个非接触式雷达传感器构成流量在线监测系统，当雷达波传送到非均匀流表面时，非均匀流表面的反向散射会导致多普勒频移的发生。雷达（RG-30 ）流量在线监测系统的采集器控制多个雷达传感器同步采集水流表面的多普勒频移，从而根据该频移计算出河流表面流速，实现一点和多点河流表面流速监测，这些数据经率定后就可用于推算河流断面平均流速以及河道实时流量。

2.2 系统功能及结构

该系统由水位信息采集、流速信息采集、风力风向信息采集、流量计算、数据处理、信息存储/传输以及基于数据库的在线查询显示系统组成，可以完成信息采集、计算、存储、传输、数据召测、数据维护、数据分析等功能。系统设计建设结合计算机处理、网络传输等自动化手段，将常规的水文要素人工监测方式转变为信息采集、计算、存储、显示、传输应用的数字化、自动化过程。

系统主要包括雷達测速仪传感器、雷达水位计传感器、数据采集终端（RTU）、通信设备以及中心站管理软件。按照位置区分，该系统包含以下工作站点：断面测量点、青铜峡西总水文站接收控制点、郑州数据监控备份中心，见图1。

2.3 断面流量计算方法

雷达（RG-30）流量在线监测系统监测各代表垂线的区域水面流速，通过测得的实时水位推算各代表垂线间面积，进而推求断面流量，其计算公式为

Q=K∑Anvn （1）式中：n为测速垂线数；K为常数；An为测速垂线间的面积，通过实时水位与大断面数据推算；υn为测速垂线间的平均流速。

3 应用分析

3.1 代表垂线分析及采集器安装位置确定

系统设备安装在青铜峡西总水文站测流断面，结合测流断面地形、水流特性、水面流速分布、精度要求和设施条件等情况来确定代表垂线的位置。代表垂线的平均流速与断面平均流速具有稳定的关系。

通过绘制青铜峡西总水文站大断面图，分析得出起点距25.0～65.0m为该测流断面主河槽，河床由卵石组成且较为稳定。选取低、中、高水位具有代表性的流量级，通过实测流量资料绘制垂线水深及流速的横向分布图（见图2），选取在测流断面中泓处且断面起点距分别为35.0、45.0、60.0m的3条垂线进行计算分析。

为了确定选取的3条垂线的流速具有较好的代表性，选取小、中、大流量下的32组实测流量资料对3条垂线平均流速与断面平均流速间的关系进行统计分析，见图3。

通过分析3条垂线的流速平均值与断面平均流速的相关关系，可得

υc=0.9071×（υ35+υ45+υ60）/3-0.0279（R2=0.9946） （2）式中：υc为断面平均流速，m/s；υ35、υ45、υ60分别为起点距35.0、45.0、60.0m处的垂线平均流速，m/s；R2为确定性系数。

通过以上综合分析确定：在对应断面起点距35.0、45.0、60.0 m处3条垂线的平均流速在各级流速下与断面平均流速均有着稳定的关系，具有良好的代表性，确定将雷达流速采集器分别安装在这3个位置上，水位采集器安装在基本水尺断面上投入使用。

3.2 比测数据成果

应用研究期间取得的98组水位数据以及2015年46组、2016年32组实测流量资料作为分析样本。研究期间实测最高水位为1138.48m（2015年7月17日），最低水位为1 135.40m（2015年9月3日）；实测最大流量为387m3/s（2015年6月10日），最小流量为1.76m3/s（2015年11月22日）；最大测点流速为1.86m/s （ 2015年6月10日），最小测点流速为0.04m/s；最高气温为35.8℃（2015年7月28日），最低气温为-19.8℃（2016年1月23日）；最大日降水量为107.9mm（2016年8月13日）；最大风力为9级，基本涵盖了该站的各种测验环境，资料具有较好的代表性。

3.3 水位测验误差分析

对人工直立式水尺与雷达水位计同步观测的98组数据进行误差分析（见表1），可知置信水平为95%时的综合不确定度为2cm，系统误差为0.2cm。石英钟每天早上8：00与北京标准时间校对，共30次无误差。可以看出雷达水位计水位观测精度均符合《水位观测标准》（GB/T 50138-2010）的规定。

3.4 流量测验误差分析

3.4.1 相关性分析

采用2015年度雷达（RG-30）在线流量监测系统与铅鱼测流缆道在不同水位、不同时段、不同气象条件下同步测得的46组流量成果作为分析资料，建立Q0（缆道测流结果）-Q1（雷达测流结果）的相关关系。从图4以及误差计算结果可以看出，确定性系数仅为0.9074，相对误差超过10%的测次有7个（见表2），需对偏大原因进行分析。

3.4.2 误差原因分析

从表2可以看出，比测试验时7个测次的风力都在4级以上，由于雷达测速仪测的是水面流速，当风力在4级以上时水面较为紊乱，因此测验误差大。依据《河流流量测验规范）（GB50179-2015）中4.1.2条的规定，这些数据在分析时应予舍去。

在分析时发现45、46测次流速出现0值等不正常情况，从原始数据可以看出这两个测次的流速小于0.5m/s，已超出仪器能够采集的流速范围，故分析时亦予舍去。

3.4.3 成果分析

根据上述误差偏大原因分析，需舍去9个测次，采用2015年雷达（RG-30）流量在线监测系统与铅鱼缆道流速仪法在不同水位、不同时段、不同气象等条件下同步测流的37组流量资料，重新建立Q0-Q1关系（见图5），可得出二者的相关关系式为

Q0=0.7889Q1+44.802（R2=0.961）（2）由式（2）可以看出，二者具有良好的相關性。

3.4.4 成果检验

将2016年不同流量级别、水流相对稳定条件下的32组实测流量资料作为样本，对式（2）进行检验。结果表明：最大相对误差为6.3%，最小相对误差为-5.7%，随机不确定度为5.8%，系统误差为0.3%，均不超过《河流流量测验规范）（GB50179-2015）中随机不确定度不应超过6%和系统误差不应超过±1%的规定。

4 结语

（1）雷达（RG-30）在线流量监测系统具有较好的稳定性，设备性能可靠，安全系数高，维修简单，具有较好的环境适应性。

（2）系统具有较强的快速测量、数据处理以及远程传输功能，在有网络的地方，利用手机等设备可以实时查询水位、流量，能够及时、准确、快速地掌握信息，可满足水文测报方式自动化、信息化的要求，适应社会经济发展对快速获取水文信息的需求。

（3）比测结果满足相关规范要求，可以用来进行青铜峡西总水文站的水位、流量测报，并可在有条件的站点推广应用。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.水位观测标准：GB/T 50138-2010[S].北京：中国计划出版社，2010；26.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.河流流量测验规范：GB50179-2015[S].北京：中国计划出版社，2015：14.