HST-RD01非接触式雷达测流系统在宝坑站中的应用研究

刘秀珍,曹 洋

(广东水利电力职业技术学院，广州 510925)

随着水文监测站点、监测任务的不断增加，需要进一步提高流量监测的精度和效率。为此，研究新的流量测验方法，实现流量实时在线监测，在防洪减灾、满足最严格水资源管理的同时，减少人员编制，减轻财政负担，意义十分重大。

松源河宝坑水文站为无人值守站点，为提高流量测验效率，2015年开始安装非接触式雷达测流系统，通过近6 a数据分析，其测验成果满足规范要求，极大缩短测流历时，减轻了流量监测工作的人力、物力、财力的投入。宝坑站渠道非接触式雷达测流系统测验方式被推广至梅州市辖区其他中小河流站点，使流量监测数据更全面，更细致，提高了流量监测的精度和效率，为山区性河流防洪及水资源管理，提供了及时、准确的流量数据，取得了显著的社会和经济效益。

1 基本情况

1.1 测站概况

松源河是韩江一级支流，发源于福建上杭大平山，于蕉岭北礤流入梅州境内，于北礤汇北礤水，于梅县松源汇南礤水，在松口铜盘下汇入梅江。流域集雨面积为642 km2，河长为77 km，广东境内为59 km，平均坡降为4.85‰，流域内植被较好，河床坡降陡，天然落差大，水力资源丰富。松源河流域属亚热带季风性气候，雨量充沛，多年平均降水量为1 650 mm。暴雨以锋面雨和台风雨为主，多集中在每年的4—9月，约占全年总降水量的77%。

宝坑(渠道)站建立于1972年1月，为上游河流筑坝分流后，用于推算松源河原河道流量增设的测验辅助站。受下游宝坑电站蓄放水影响，渠道引水流量为5～15 m3/s，全年引出水量约占年径流总量的2/3，实测最大流量为18.1 m3/s(2016年)，最小流量为1.14 m3/s(1991年)，最大流速为1.74 m/s(2004年)，最小流速为0.14 m/s(1991年)，渠道水位常年保持在9. 35～11.15 m。在经过多年的测验摸索后，渠道站最终确立以功率—流量关系线法推求渠道流量，但由于近年来电站管理模式愈加混乱(电站转让、人员调整等)，发电功率记录不清晰，导致渠道水量推求愈加困难。因此，改变测验手段，寻求新的流量推求方法刻不容缓。

1.2 测验断面情况

该站河段为人工开凿引水灌溉、发电所用，河段较顺直，下游约100 m为宝坑电站。站舍设在左岸，站舍所在位置设有流速仪测流断面，断面河底由基岩组成，断面形状呈“U”型，水流方向基本与断面垂直。

2 非接触式雷达测流原理

宝坑(渠道)站本次安装的是HST-RD01非接触式雷达流量监测系统。该套系统由测量传感器、TT数据采集系统和TT监控平台构成。

2.1 雷达测流传感器

雷达测流传感器是根据多普勒频移原理[1-2]测量水体流速的，雷达探头既是发射器又是接收器。探头发射某一固定频率的超声波，然后接收被水体表面起伏散射回来的超声波(见图1)。假定水体表面起伏的移动速度与水体表面流速相同，当水体表面起伏的移动方向是接近探头时，探头接收到的回波频率比发射频率高；当水体表面起伏的移动方向是背离探头时，探头接收到的回波频率比发射频率低，发射频率与回波频率存在差值，差值确定：

fd=2fδ(v/c)

(1)

式中：

fd——声学多普勒频率,kHz;

fδ——回波频率,kHz;

v——水体表面起伏的移动速度，m/s;

c——超声波在空气的传播速度，m/s。

采用指标流速法进行水道断面流量自动监测，其本质是由局部流速推算断面平均流速，可采用单点流速或多点流速，垂线平均流速或水平平均流速作为指标流速；本次试验采用多点流速作为指标流速。

图1 非接触式雷达测流示意

2.2 监测系统安装

雷达流量监测系统安装主要包括支架固定、电缆线铺设、防水箱、蓄电池和太阳能板安装。RG30-T主机探头固定在直径为0.06 m，厚度为0.1 cm的钢管上，钢管固定在导轨上，探头向河中心滑动延伸至左岸主流位置(由于受雷达探头位置局限性的影响，一般在安装时先分析断面垂线点流速，哪条垂线流速接近断面平均流速就定为雷达探头位置)；支架由不锈钢槽斜拉支撑固定，使探头表面水平，发射面斜向下为58°(见图2)；太阳能板安装在屋顶处，避开树林遮挡；电缆走线管后沿墙角布设；防雷电缆连接仪器外壳和地网；数据采集控制器防水箱悬挂在内墙上，施工做到美观大方，质量可靠。

图2 雷达流量监测系统安装位置示意

3 监测系统率定分析

3.1 率定期间水文情势

在雷达流量监测系统率定期间，水位变幅为8.67～11.15 m。随机选取率定期内，分析监测水位与指标流速[3]的变化情况(见图3)，由图3可知：水位下降(电站放水)，指标流速变大；水位上升(电站蓄水)，指标流速变小。水位与指标流速明显呈负相关线性关系，符合发电渠道水流特性[4]。

图3 水位和指标流速过程线示意

3.2 率定方法

将宝坑(渠道)站缆道流速仪实测流量计算断面平均流速V平均与雷达流量监测系统同步测出的指标流速VSL，建立相关关系(见表1所示)。为确保资料一致性和精度，选取流量监测系统监测的同步时间段与实测流量测流开始至结束时间段相对应，如系统采集数据时间与实测流量时间出现偏差，则尽可能选择其接近时间。

表1 断面平均流速与指标流速相关关系

3.3 关系率定

雷达流量监测系统安装以来，总共收集了29份实测资料，实测流量为0.57～18.1 m3/s，流速为0.54～2.35 m/s。选取其中26份测次(V平均≤1.50 m/s)成果率定出中低流速级V指标～V平均关系曲线再进行人工微调；由图4可见，中低流速V指标～V平均关系曲线率定点子分布均匀且集中，相关关系良好；中高流速级范围内率定点子较少，且属人为放水，不够具备代表性，需作进一步检验率定分析。

图4 指标流速与断面平均流速相关关系线示意

3.4 合理性检验

对雷达流量监测系统率定的V指标～V平均关系曲线进行符号、适线和偏离数值3个检验分析，精度指标参考《水文资料整编规范》表3.3.2-1巡测站规定并分别进行合格率统计。

本次雷达流量监测系统率定，V指标～V平均率定关系能通过三性检验[5-7]，认为定线正确；从测验精度角度看，在V平均≤1.50 m/s时，雷达流量监测系统V指标～V平均关系线能通过符号、适线和偏离数值检验，指标流速和断面平均流速测点标准差Se=3.5%，随机误差为7.0% ≤ 10 %，系统误差为0.01%≤±1 %，达到规范规定的精度要求，合格率统计见表2。

表2 V指标～V平均合格率统计

从图4、表2可见，在中低流速级，V指标～V平均关系点子分布集中，测验精度较高，相对误差较小，具有明显的变化规律；在中高流速级，由于电站人为因素影响，出现时间短、水位低、率定点子较少，率定关系代表性不够，仅作低水时期分析参考。综上，分析认为中低级流速关系线满足率定要求，中高级流速关系率定需在测验工作中进行补充，以满足需求。

4 结语

HST-RD01非接触式雷达流量监测系统具有自动化、测量精度高的特点[8]。本文选用中小河流渠道站，将雷达流量监测系统监测成果与传统缆道流速仪实测流量进行流速、流量对比，结果显示HST-RD01非接触式雷达流量监测系统在河流中低级流速测流时误差小、精度高，在实际应用中得出以下结论[9-11]：

1) 雷达流量监测系统在河宽较窄、受水工建筑物影响的明渠河道中应用较好，可在明渠流量监测中推广使用。其自动监测系统数据储存量大，保存时间长，可为灌溉、发电利用提供数据支撑。

2) 通过分析非接触式雷达监测系统在宝坑(渠道)站的指断关系，当流速小于1.50 m/s时，其标准差、随机误差、系统误差均较小，能够满足巡测站水文资料整编规范要求，对实现该站无人值守具有重要意义。

3) 非接触式雷达监测系统安全性能高、抗干扰能力强，可应用于中小河流窄深河道，在山洪发生时能及时反映实时水位、流量数据，能够大大提高小河流山洪灾害预警、预报和防灾减灾的能力。

4) 非接触式雷达监测系统测流是根据多普勒频移原理测量水体表面流速，在极小流速时容易受风力影响。当河宽较宽时，也容易出现测点代表性不足的问题。因此，在设备安装前要加强流速代表性分析，提高非接触式雷达监测系统使用精度。