周家河水文站侧扫雷达在线流量比测率定分析

包 晶

（安庆水文水资源局，安徽 安庆 246003）

0 引言

根据安徽省水文局测区改革方案，周家河水文站隶属于太湖测区，距离太湖勘测队约80 km左右路程，且均为山区道路，单程需要2.5 小时的通勤时间；此外周家河水文站为山区性河流，洪水陡涨陡落，洪峰持续时间短，难以准确把握好测验时间。为彻底解决该站的中高水流量测验困难，消除潜在的安全隐患，引进自动测流系统设备势在必行，通过多种方案的分析比选，认为侧扫雷达在线测流系统是目前最适合安装在周家河站的自动测流设备。

1 概况

1.1 水文站基本情况

周家河水文站设立于1957 年11 月，位于安徽省太湖县牛镇镇羊河村。该站控制集水面积540 km2，距河口12 km，属于国家重要水文站，二类精度站，大别山区500 km2～1000 km2代表站兼花凉亭水库入库站。 测验项目有水位、流量、泥沙、降雨量，主要为防汛抗旱、水资源、水质等服务。

1.2 测站特性及测验河段情况

周家河站测验河段较顺直，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。中水时河宽约120 m，高水时约140 m。断面上游左岸140 m处有两小沟汇入，下游80 m处低水有急滩控制，水位在96.50 m以上时控制消失。河床质为卵石沙砾。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。断面上游约10 km处建有狮子口电站，2 km处建有羊河电站，低水水位受电站发电来水影响较大，多呈锯齿状。中高水期间由于河段比降大，水位～流量关系线为逆时针绳套。全年多采用临时曲线法、连时序法推流。

根据典型年法对周家河水文站水位级进行水位级划分，见表1。

表1 周家河水文站水位级划分

2 自动测流系统情况

2.1 测流原理

雷达是利用目标对电磁波的反射（或散射）现象来发现目标并测定其位置和速度等信息的。雷达利用接收回波与发射波的时间差来测定距离，利用电波传播的多普勒效应来测量目标的运动速度，并利用目标回波在各天线通道上幅度或相位的差异来判别其方向。

超高频雷达河流流速（流量）监测技术还用到另外一项理论——Bragg散射理论。Bragg散射理论可由图1简单说明。当雷达电磁波与其波长一半的水波作用时，同一波列不同位置的后向回波在相位上差异值为2或2的整数倍，因而产生增强性Bragg后向散射。

图1 Bragg后向散射基本原理

朝向雷达波动的波浪会产生一个正的多普勒频移，背离雷达波动的波浪会产生一个负的多普勒频移。多普勒频移的大小由波动相速度Vp决定。由于重力的影响，一定波长的波浪的相速度是一定的。在深水条件下（即水深在大于波浪波长L的一半）波浪相速度Vp满足以下（1）定义：

由相速度Vp产生的多普勒频移为：

其中，雷达频率fo以MHz为单位，多普勒频率fB以Hz为单位。这个频偏就是所谓的Bragg频移。朝向雷达波动的波浪将产生正的频移（正的Bragg峰位置），背离雷达波动的波浪将产生负的频移（负的Bragg峰位置）。

在无表面流的情况下，Bragg峰的位置正好位于（2）式描述的频率位置。

当水体表面存在表面流时，上述一阶散射回波所对应的波浪行进速度便是河流径向速度加上无河流时的波浪相速度。即：

此时，雷达一阶散射回波的幅度不变，而雷达回波的频移为：

通过判断一阶Bragg峰位置偏离标准Bragg峰的程度，我们就能计算出波浪的径向流速。实际探测时，由于河流表面径向流分量很多，一阶峰会被展宽，见图2。

图2 超高频雷达RISMAR-U获得的河流表面回波多普勒谱

单站超高频雷达可以获得表面径向流。利用相隔一定距离的双站超高频雷达获得各自站位的径向流后，通过矢量投影与合成的方法就可以得到矢量流。双站径向流合成矢量流的原理见图3。

随着社会主义市场经济体制的逐步建立，我国水利的投资融资机制开始向多元化、多层次、多渠道的融资体制方向发展，对于建立“三多”的投融资机制，七部委《意见》给出了有益的意见。

图3 双雷达站获取矢量流示意图

超高频雷达RISMAR-U属于相干脉冲多普勒雷达，工作中心频率为340 MHz，采用线性调频中断连续波体制。一般情况下可以测量30 m～400 m宽度的河流，雷达的实际探测距离还与雷达天线架设地点，所在地外部噪声电平，河面粗糙程度有关。

雷达的距离分辨率有5 m、10 m、15 m等几种，可以根据需要设定。

对于等宽的顺直河道，河水流向与河岸是平行的。如图4所示，河道为顺直河道。雷达在A点测得的径向流速为VAcr，由于A点河流的流向与河岸平行，则该点的河水流速为VA=VAcr/cos（β）。雷达在B点测得的径向流速为VBcr，则B点的河水流速为VB=VBcr/cosα。如果A点、B点与河岸的垂直距离相同，理论上有VA=VB。

图4 单一雷达站获取水流速示意图

2.2 RISMAR-U型系列超高频雷达概况

RISMAR-U型系列超高频雷达（河流流量探测仪）广泛用于河流流量实时监测领域，它利用水波具有相速度和水平移动速度时，将对入射的雷达波产生多普勒频移的原理来探测河流表面动力学参数，以非接触的方式获得大范围的河流表面流的流速、流向，并根据流体力学理论，从雷达遥测的表面流速反演深层流速，进而准确地计算出河流流量信息。

图5 RISMAR-U型系列超高频雷达结构图

根据河道的条件与用户需求的不同，RISMAR-U可配置为单站式流量推测系统和双站式流量推测系统。

在河道等宽的顺直河道，可以使用单站式系统实现流量探测。单站式流量探测系统的野外站由单台RISMAR-U雷达系统和一个RISMAR-U中心站构成。

图6 单站式流量探测系统的野外站

在河道不等宽、非顺直河道及其他流场复杂的场合，应该使用双站式系统实现流量探测。双站式流量探测系统的野外站包含二台RISMAR-U雷达系统和一个RISMAR-U中心站构成。

图7 双站式流量探测系统的野外站

一个完整的流速流量探测系统由至少一个野外站和一个中心站组成。一个野外站系统包含收发天线、雷达主机、计算机和软件子系统，一个中心站包含一台计算机、中心站软件子系统。

3 数据整理及资料分析

3.1 分析方法

以同一水位，人工流量为纵坐标、侧扫雷达在线流量为横坐标点绘关系图，进行拟合分析，得出相关关系，计算出侧扫雷达重新拟合后的流量数据，再与人工实测流量进行分析。

3.2 相关数据分析

对2021年4月20日至8月13日周家河水文站基本水尺断面，人工实测流量与侧扫雷达在线原始实测流量进行曲线拟合，拟合线性关系见图8 。

图8 人工流量与侧扫雷达流量线性关系

根据图8 拟合相关关系可以看出，当侧扫雷达在线流量小于200 m3/s时，人工流量与侧扫雷达流量拟合相关关系良好；当侧扫雷达在线流量大于200 m3/s时，相关关系较为散乱。现对流量进行分级，200 m3/s以上与以下流量分别进行拟合，线性关系图分别见图9、图10。

图9 周家河站大于200 m3/s人工流量与侧扫雷达流量线性关系

图10 周家河站小于200 m3/s人工流量与侧扫雷达流量线性关系

通过拟合线性关系可知，当侧扫雷达在线流量大于200 m3/s时，侧扫雷达在线流量与人工流量线性关系式为y=0.0038x2-0.7815x+226.02；当侧扫雷达在线流量小于200 m3/s时，侧扫雷达在线流量与人工流量线性关系式为y=0.0024x2+0.6722x+3.0652。根据相关关系推算出同水位级人工流量对应的侧扫雷达率定流量，成果见表2。

表2 侧扫雷达在线流量率定分析

以侧扫雷达率定流量为横坐标，人工实测流量为纵坐标点绘关系图，将其再次拟合，进行对比分析，线性相关关系良好，见图11，关系式为y=1.0128x-0.8831。

图11 周家河站人工流量与侧扫雷达流量综合线性关系

3.3 关系线检验

通过三项检验分析，比测38次人工流量与侧扫雷达在线流量复核曲线关系，经检验计算随机不确定度为3.0%，系统误差为0.6%，满足规范要求，检验成果见表3。

表3 周家河站人工流量～侧扫雷达在线流量关系线检验计算表

4 结论

（1）侧扫雷达测流系统实测流量与人工实测流量关系符合线性相关关系，原始分析资料准确、可靠，比测成果合理。符合《河流流量测验规范》等相关规范的要求；

（2）周家河站引进侧扫雷达自动测流设备达到了预期目的，后期安庆水文局、太湖测区将加强与设备研发单位的合作，进一步完善比测分析相关内容；

（3）周家河站采用侧扫雷达在线测流系统施测时，流量成果按下式计算：Q=1.0128Q侧-0.8831。