周家河水文站无线遥控雷达波测流系统系数率定分析

邓云升

（安徽省安庆水文水资源局，安徽 安庆 246000）

针对传统的河道流量测验方式落后且效率低，难以适应当前水文测验点面多广、任务繁重的新形势。尤其是周家河水文站位置偏远，巡测不便，高洪时漂浮物多，采用传统设备入水测流不安全，应用无线遥控雷达波测流系统（以下简称雷达波测流系统）进行流量测验十分必要。为此，安徽省安庆水文水资源局在周家河站安装无线遥控雷达波测流系统，通过2019 年、2020 年、2021 年三年汛期运行，对实测资料进行对比分析，率定出准确的无线遥控雷达波测流系统与转子流速仪的相关系数从而获得准确的流量显得极为重要，并且积累一定的雷达波测流经验，对促进周家河水文站、安庆水文发展具有十分重要的意义。

1 测站基本情况

周家河水文站坐落在太湖县牛镇镇羊河村。长江流域皖河水系河名为长河，测验断面集水面积540 km2。属国家基本站、中央报汛站，大别山区500 km2～1000 km2区域代表站兼花凉亭水库入库代表站。

该站测验河段较顺直，主流偏左岸，左右两岸均为高山。左岸为风化石陡壁，右岸为花岗岩陡壁，无崩塌现象。断面上游左岸140 m处有两小沟汇入，下游约20 m处有急滩控制低水。河床由沙砾卵石组成，上游约800 m和下游700 m处均为弯道，无水草现象，涨水时河道内漂浮物较多[1]。

周家河水文站是典型的山区性河流，洪水主要集中在汛期，洪水过程陡涨陡落，洪峰持续时间短。断面上游约10 km处建有狮子口电站，2 km处建有羊河电站。中高水时河道受自然冲淤变化一定时段内水位流量关系相对稳定，水电站发电来水对低水水位影响较大且水位过程多呈锯齿状分布，低水水位流量关系紊乱，全年采用临时曲线法定线推流。

2 雷达波测流系统介绍

2.1 仪器简介

无线遥控雷达波测流系统由配套软件、简易缆道绳索、仪器探头、测流控制器、雷达波传感器、GPRS无线模块、电源系统等部分组成。

2.2 雷达波测流系统原理与工作方式

无线遥控雷达波测流系统通过仪器自身在缆索上精确移动定位起点距，采用以非接触方式测量水道断面上若干条垂线表面流速，继而得到若干条垂线间断面平均流速，根据实测的断面资料来完成断面流量的计算与传输。

3 比测目的

通过实测流量资料，比测分析周家河水文站雷达波在不同水位级施测流量情况，率定雷达波与转子流速仪系数，验证雷达波测流系统能否满足水文规范精度要求，解决周家河站高洪测流问题。

4 比测内容

4.1 率定分析方法

采用转子式流速仪与无线遥控移动雷达波测流系统同步施测，按照不同水位级布置施测号数，测次分布基本均匀合理。以流速仪流量为纵坐标，雷达波虚流量为横坐标建立相关关系图，并进行线性相关性分析[2]。

4.2 率定分析资料的选取

本次率定所选数据为2019 年、2020 年、2021 年汛期多场洪水流速仪流量与雷达波虚流量，共收集35 份流量资料，舍去7 份资料（因测流过程中水位涨落过快或超出转子流速仪的测验范围），余下28 份流量无明显系统偏离，全部参与率定系数。舍去的突出点原因：①人工观测水位值与气泡式水位计水位不同步，当水位涨落急剧时，气泡式水位计水位数值显示滞后，误差大；②部分流量测次受当天顺、逆风及风速影响，实测点水位流量关系紊乱。

4.3 率定过程

选取周家河站流量合理的28 份同步比测资料，计算测次相对应的对比系数，建立线性相关图。率定系数过程见表1～表3、图1～图3。

图1 雷达波测流在线系统示意图

表1 周家河站2019年转子流速仪与雷达波比测数据

图2 周家河站2019年缆道与雷达波数据线性关系图

表2 周家河站2020年缆道与雷达波比测数据

图3 周家河站2020年缆道与雷达波数据线性关系图

表3 周家河站2021年缆道与雷达波比测数据

图4 周家河站2021年缆道与雷达波数据线性关系图

4.4 率定系数误差分析

从上述图表统计分析得出：两者相关流量系数范围在0.60～0.71。采用线性相关法确定2019年、2020年、2021年连续三年线性关系分别为0.6809、0.6863、0.6887，R2分别为0.9960、0.9983、0.9978 全为显性相关，采用算术平均法取两位小数为0.69作为流量系数，再过点群中心绘制水位流量关系线，后通过水文测验中三项检验（见表4）。

表4 周家河站流速仪与雷达波流量比测关系曲线检验表

周家河站采用流量系数为0.69，进行三项检验、标准差检验、系统误差检验，结果表明：标准差为2.2%，随机不确定度为4.4%，系统误差为-0.7%，参照二类站定线精度要求，所有指标均符合水文规范要求。

5 率定分析结论

该站雷达波流量系数选取0.69合理性较好，符合水文规范要求。雷达波虚流量与流速仪流量的线性相关公式为y=0.69x（y为流速仪流量，x为为雷达波虚流量）。

从上述图表中可以看出，系数跳动变化较大（0.60～0.71不等），主要是因为：

1）水位低时，河水水质相对较好且流速较小，反射波相对较弱存在一定测验误差。

2）雷达波测流系统施测水面流速，受到顺、逆风影响。顺风施测，流速偏大；逆风施测，流速偏小，所测得流量都有较大误差。所以，大风天气不适宜采用雷达波测流，减少风力因素对测验数据的影响[3]。

根据以上比测结果，雷达波的系数根据水位级使用。根据《周家河站测洪方案》水位级划分，当水位≥98.00 m 时为高水期；当水位在95.50 m～98.00 m时为中水期；当水位在94.30 m～95.50 m时为低水期；当水位≤94.30 m时为枯水期。因此，当水位≥95.50 m时，周家河站可采用雷达波测流。

6 结语

雷达波测流系统与转子流速仪系数率定为0.69，线性相关关系显著，精度满足水文资料整编要求，解放周家河水文站水文生产力。

该测流系统具有如下优点：①自动化程度高，提高水文资料整编效率。②携带、安装方便，随装随测，维护成本少。③操作人员安全，全天候、测流不受风雨雷电和停电限制。④雷达波测流系统最大优点是非接触式测验，避免漂浮物和高泥沙影响，很好的替代浮标法测流，减少劳动成本。

实践发现，该仪器美中仍有不足：①仪器自身运行内存不大，高洪时测流时间相应缩短到30秒以下才能正常运行，不符合水文测验规范的要求。②配套软件易崩溃、稳定性差，雷达波行车超过100 m时，信号传输差。③雷达波测验成果中数据的部分进位不符合水文规范的要求，需要完善。④流量易受风速影响，实测流量点分布离散。

该仪器在周家河水文站的成功应用，为山区性水位陡涨陡落河流提供了技术支撑和经验储备，对促进安庆水文的发展具有重要的意义。