阳朔水文站侧扫雷达在线流量监测系统比测率定成果分析

莫建英，吴树诚，徐 茜

（桂林水文中心，广西 桂林 541100）

1 测站概况

1.1 流域概况

阳朔水文站属桂江中游控制站，位于阳朔县城东侧3 km的木山榨村。桂江发源于广西兴安县华江乡的老山界南侧，由北向南流经兴安县，与灵渠、小溶江汇合后称为漓江；流经桂林、阳朔、平乐等市县，在平乐与恭城河、荔浦河汇合后称桂江。其河源高程2 014.0 m，干流长度403 km，集水面积5585 km2。

该流域地处广西桂北暴雨中心，属湿热的亚热带季风气候，受锋面、切变线、低涡、高空辐合等暴雨天气系统的影响，降水量丰沛，多年平均降水量1 519.2 mm，多年平均径流量68.50亿m3。桂江属于山溪性河流，礁石多，浅滩多，河床坡度陡峻，水流急，洪水过程线较瘦，大洪水多为双峰型。洪水一般出现在5～7月，洪水过程较长，一般涨水历时9～24 h，退水历时4～6 d，洪峰持续时间为0.5～2.0 h。

1.2 测验河段特性

测验河段基本顺直，断面呈“U”型，上游100 m是急滩，断面以上120 m的河中、河左有礁石，引起水位在104.49 m以下时产生回流，右岸上游200 m有支流田家河汇入，上游600 m建有阳朔大桥，下游100 m为深潭。高、中、低水位的中泓位置随水位的变化在80～160 m间左右摆动。河床为卵石夹沙，180～190 m有冲淤现象。水位在108.36 m以上右岸开始漫滩60 m左右，水位在111.35 m以上右岸漫滩30 m左右。2013年，右岸开始修建游江竹排停泊的码头，水位107.60 m以上开始漫滩60 m左右，由于码头修建了水泥护堤，右岸220.00 m以外流速很小，看作死水。

阳朔水文站调查最高洪水为114.63 m，实测最高洪水位113.58 m，最大流速3.97 m/s，最大水深11.7 m。实测最大流量为6340 m3/s，相应水位112.44 m，多年水位流量关系基本为单一曲线，高水时受洪水涨落影响一般为绳套曲线。

阳朔水文站属于一类精度水文站，按国家标准流量测验规范规定，高中低水划分如下（85基准以上米数）：高水为108.50 m以上，中水为104.50 m～108.50 m，低水为104.50 m以下。

2 设备引进安装调试情况

2.1 设备引进来由

阳朔水文站多年来采用缆道流速仪、缆道牵引走航式ADCP等方法开展流量测验，这些都属于接触式测量方式，洪水期常受漂浮物等影响，阻碍设备的正常运行，安全性也得不到保障；阳朔水文站在“印象刘三姐”景区附近，断面过往游船较多，白天游船来往频繁，晚上则受演出灯光影响，无法打开探照灯正常测流。侧扫雷达测流技术属非接触式测量方式，可以很好地解决阳朔水文站测流问题；开展阳朔水文站水文监测信息化能力建设是为漓江流域应急监测、水旱灾害防御决策等提供科学依据，是解放劳动力、切实做好防汛耳目与尖兵的重要方式，是洪水监测预警的重要基础，是水文资料收集、水文特性研究的创新举措。

出于上述考虑，阳朔水文站引进了侧扫雷达设备，并安装试运行。为检测侧扫雷达设备性能及运行稳定情况，决定2021年在阳朔水文站开展侧扫雷达应用试验工作。

2.2 仪器选型及基本情况

阳朔水文站使用南京微脉科斯电子科技有限责任公司自主研发的Ridar-200型侧扫雷达设备，该设备采用非接触式测流技术，利用水体对电磁波的反射（或散射）来发现目标并测定其位置和速度，对河流表面流场、网格点流速实现“多点同时”全天候连续监测，水文基础数据通用平台将接收到的基础数据存储至数据库，同时根据相关的水位值、断面资料及流速比等数据信息进行网络流量合成，为测站提供数据接收、存储处理及成果浏览等工作。主要技术参数指标见表1。

表1 Ridar-200型侧扫雷达测流仪主要技术参数

2.3 仪器安装调试

经实地查勘和各项指标检测，选择了视野开阔、无障碍物的阳朔水文站缆道站房楼顶为安装地点，安装位置在阳朔水文站流速仪测流断面上，满足雷达使用净空环境，发射信号45°无遮挡，回波信号在高度合适的情况下正面120°无遮挡，三通道远近端信号良好。但标准配置下安装高度略低，经过计算，基本可以在高水位下覆盖整个断面。侧扫雷达安装及测流示意图见图1。

图1 侧扫雷达安装及测流示意图

3 比测率定分析情况

3.1 率定目的

侧扫雷达设备是采用脉冲多普勒原理测量水面流速的设备，为检验侧扫雷达设备测量的指标流速的代表性，须开展阳朔水文站Ridar-200型侧扫雷达测量的指标流速与断面流速仪一点法（0.6水深）平均流速比测率定分析，建立率定计算公式，并通过比测分析获得其稳定性、准确性和适用性等情况，摸索在阳朔水文站直接使用Ridar-200型侧扫雷达进行流量测验和流量在线监测的可行性。

3.2 率定方法

阳朔水文站侧扫雷达设备测量的指标流速与常规的流速仪一点法（0.6水深）断面平均流速是否存在相关关系。通过收集比测期间各次比测资料，根据数理统计方法，建立相关关系，通过符号检验、偏离数值检验和适线检验对相关关系进行验证，寻找最优关系，并进行分析评价。

3.3 率定工作情况

3.3.1 资料选用情况

阳朔水文站侧扫雷达设备于2021年4月底开始采集数据，由于安装初期，仪器运行不稳定，采集的数据波动较大，期间比测的资料不参与率定分析。最终采用2021年6月30日～9月13日获得的11组有效比测数据作为流速率定分析的依据，11组数据分布于低、中级水位，比测最高水位107.97 m，比测最低水位103.84 m，实测最大断面平均流速1.89 m/s，实测最小断面平均流速0.23 m/s。

3.3.2 侧扫雷达表面流速有效流速单元置信度及资料分析

阳朔水文站侧扫雷达测流断面垂线布设25个单元，第一个单元起点距为10 m，每个单元间距10 m，统计同一时间段不同探测距离置信度，依据河流断面最深处信噪比为参考，全部参与断面平均流速计算，数据可靠性较高。所分析的11个测次的雷达流速均采用全断面加权平均法计算流速。侧扫雷达与常规流速仪一点法（0.6水深）的测验比测成果见表2。

表2 阳朔水文站侧扫雷达与常规流速测验比测成果表

4 比测率定成果及误差分析

4.1 雷达指标流速相关图分析

将流速仪实测的断面平均流速与侧扫雷达断面指标流速对比的11个成果，绘制散点图（见图2）。从图2可见，流速仪一点法测得的流速与侧扫雷达的断面指标流速点子密集，呈直线趋势。建立侧扫雷达指标流速y对流速仪一点法流速x的回归直线方程，两者的相关系数为R=0.994，-1

图2 流速仪一点法流速～雷达断面指标流速散点图

对图2进行分析，可以得出以下公式：

y=0.795x+0.358 R2=0.994

y=0.096x2+0.604x+0.418 R2=0.993

y=0.494e0.75xR2=0.983

y=0.582ln(x)+1.294 R2=0.919

y=1.205x0.57R2=0.980

4.2 三大检验

由于公式y=0.795x+0.358的R值较大，相关关系较好，故对其进行三大检验分析。阳朔水文站侧扫雷达指标流速～流速仪一点法流速关系曲线检验统计表见表3。通过计算，侧扫雷达的指标流速与流速仪一点法流速的标准差Se=3.98%，随机不确定度X′Q=2Se=7.96%<12%，达到规范规定的精度要求。

表3 阳朔水文站侧扫雷达指标流速～流速仪一点法流速关系曲线检验统计表

（1）符号检验：n=11，K=6（K为正号个数），u=0<1.15，认为合理，符号检验通过。

（2）适线检验：n=11，不变换符号“0”次数为6，变换符号“1”次数为4，不变换符号次数大于变换符号次数，需作检验。通过计算得u=0.32<1.96，认为合理，适线检验通过。

（3）偏离数值检验：n=11，平均相对偏离值pˉ=0.45，p的标准差Se=3.75%，pˉ的标准差Spˉ=1.13%，统计量t=0.39，|t|=0.39<1.73，认为合理，偏离数值检验通过。

雷达指标流速～实测平均流速关系曲线通过符号检验、适线检验和偏离数值检验，结果均满足相关规范要求，认为定线合理。

4.3 存在问题分析

通过流速仪一点法实测流速与侧扫雷达指标流速分析，一些点子存在较大的误差，主要原因如下：

（1）因高水涨水过程较少，高水部分比测资料欠缺。

（2）因受左右两岸水草和来往船只影响，比测低水部分一点法数据和走航ADCP施测存在一定困难。

（3）侧扫雷达安装后运行时间较短，收集资料样本不足，下一步将根据水位变化情况合理布局测次，按要求进行比测分析。

5 结论

阳朔水文站的Ridar-200型侧扫雷达设备，经与流速仪一点法比测约5个月，取得了11份可用的比测成果。通过分析比测成果，发现数据拟合较好，进行符号检验、适线检验和偏离数值检验，结果均满足相关规范要求，认为侧扫雷达设备可在阳朔水文站使用。