雷达侧扫测流系统在兰州水文站的应用情况分析

郭西军

（黄河水利委员会上游水文水资源局，甘肃 兰州 730030）

1 兰州水文站概况

兰州水文站为国家基本水文站，隶属于黄河水利委员会上游水文水资源局，是黄河上游干流的重要控制站和黄河洪水编号站，设立于1934年7月18日，位于甘肃省兰州市城关区中山桥下游，集水面积222551 km2。测验河段顺直，长度约800 m，断面矩形、较为稳定，水流自西向东穿城而过，河床由砂卵石组成，水位流量关系一般为单一曲线，年内发生较大洪水时表现为涨冲落淤，年际变化表现为大水年份冲刷、小水年份淤积，河道为冲淤动态平衡。

兰州水文站洪水主要受上游龙羊峡、刘家峡等梯级水库联合调度以及湟水水系和附近支流洪水影响，洪峰呈矮胖形，历时长，一般发生在5—9月。泥沙主要来自上游水库排沙及湟水、庄浪河、雷坛河等支流，多集中在7—8月。一般情况下洪峰沙峰不相对应，支流来沙时沙峰过程历时较短，仅2～3 d或更短。历年水位流量关系为单一线。

目前兰州水文站多采用走航式ADCP、水文缆道、测船流速仪法测流。水位涨落较平缓时采用两点法、五点法施测；简测法采用0.6一点法施测；常规法流量测验采用旋桨式LS25-3A或LS25-1型流速仪施测，平均测验时间1.3～2.5 h；走航式ADCP测流时间为0.5 h左右。流量测验工作耗时费力，且无法实现自动、连续施测。为解决这一问题，2017年该站建成了雷达侧扫测流系统。

2 雷达侧扫测流系统简述

2.1 原理

雷达侧扫测流系统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，雷达利用接收回波与发射波的时间差测定距离，利用电波传播的多普勒效应测量目标的运动速度，并利用目标回波在各天线通道上的幅度或相位的差异判别其方向。当水波移动产生相速度和水平移动速度时，会产生多普勒频移，进而分析计算河流表面不同位置的流速。

在水文站应用中，雷达发射接收装置安装在河岸上，天线主轴垂直于河流，该监测技术远优于需要借助渡河设施的点流速监测技术。测流系统利用太阳能供电，最快2 min获取一组数据，监测间隔时间可根据实际需要灵活设置，通过系统配套软件可实现流量在线监测，大幅度提高流量测验效率。

2.2 安装环境及技术指标

2.2.1 安装环境 河宽：＞30 m；流速：2.5～20 m/s；水深：最小15 cm；水波纹高度：最小2 cm。

2.2.2 天线位置 水平方向：距水面20 m以内；垂直方向：高出水面4～20 m；俯视角度：河对岸到天线与河面的角度＞2°。

2.2.3 技术指标 工作频率：415 MHz；探测河面宽度：≤1 km（单台）。

2.2.4 环境要求 工作温度：室外-10～50℃；设置温度：室外-35～65℃。

2.2.5 距离分辨力 测速范围：0.05～20 m/s；测速误差（均方根误差）：≤0.01 m/s；速度分辨率：≤0.01 m/s。

3 比测方法

为进一步验证该系统的实际应用效果，率定参数，兰州水文站根据仪器自身特点、测站水文特性等制定了详细的比测工作方案。

3.1 流速仪法

兰州站传统的流量测验方法以水文缆道为主，测船为辅。水势平稳时采用水文缆道悬吊旋桨式LS25-3A或LS25-1型流速仪施测，流量测验方案采用精测法、常测法，并点绘水位—流量关系曲线。本次采用兰州站流速仪实测流量60次（其中精测法10次，常测法50次），建立水位流量关系线，关系线单一，定线精度满足水文资料整编工作要求。

3.2 系统监测

雷达侧扫测流系统数据监测频率为10 min/次，每次监测断面上不同垂线的表面流速，通过配套软件完成流量数据合成计算。本次采用自2020年7月19日—2021年3月14日期间采集的21727组数据。

3.3 流速对比观测

采用流速仪与雷达侧扫测流系统同步开展水面流速测验，流速仪法测速时间不少于100 s。由于仪器测速时间较短，采用流速仪测速期间，雷达侧扫测流系统以多次测速平均值为准。

3.4 数据分析处理

采用数理统计方法对瞬时流量值、日均流量值、月均流量值以及点流量误差进行分析计算。

3.5 误差评价依据

根据《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)规定，比测随机不确定度一般不超过6%，比测条件较差的不应超过7%；系统误差一般不超过±1%，条件较差的不应超过±2%。

4 比测资料分析

雷达侧扫测流系统流量计算方法与传统浮标法类似，以各条垂线上的表面流速代表垂线流速，根据流速面积法计算出断面虚流量，并根据不同水位计确定流量合成系数K，最终合成断面流量。

4.1 流量系数K的确定

实际分析中，根据式（1）确定不同水位选定流量合成流量系数。

从2020年7月19日—9月6日雷达侧扫测流系统采集数据来看，水位变化范围为1513.22～1513.75 m，相应流量为2800～3380 m3/s，共计2678组数据，初步率定不同水位对应流量系数，绘制点状图（图1），可见流量系数呈“带状”分布，基本为一条平行于Y轴的直线。采用试算法进行误差计算，当系数K取0.76时误差最小，整体误差符合规范要求，所以初步确定流量系数为0.76。

图1 雷达侧扫测流系统水位—系数点状分布图

4.2 流量系数K值验证

为进一步验证系统选取系数的适应性，选取2020年10月2日—2021年3月14日系统采集的数据进行验证，水位范围为1509.94～1512.82 m，流量范围为340～2400 m3/s，采用上述方法率定流量系数。

从水位、流量合成试验系数来看，两者具有一定的线性关系，流量系数呈“带状”分布（图2），范围为0.62～0.90，水位变化对流量系数影响不显著。通过试算，当系数K取0.758时误差最小，略小于初步估算值。

图2 雷达侧扫测流系统水位—系数点状分布图

4.3 异常数据处理

根据现场比测情况，对异常数据进行删除。2020年10月26日—11月17日数据出现突变，测站对监测环境、水位数据采集、设备运行情况等进行详细检查，未发现影响数据的异常因素。遂将监测数据发送至厂家查找原因，经分析期间雷达波信号大幅减弱，仪器发射频率415 MHz，可能附近有警务信号、移动基站等装置发生电磁干扰，导致数据异常，故予以删除，并对设备发射频率进行更改。2020年12月19日、23日因采集数据不全（部分数据丢失），故不参与计算。删除异常数据后，统计各指标对应误差，见表1。

表1 兰州水文站雷达侧扫测流系统瞬时流量误差统计

5 结果与分析

利用国产雷达侧扫测流系统在兰州水文站开展试验研究，在黄河上游测区是一种全新的流量测验模式探索，其研究方法及操作、安装方式正确，研究过程中根据试验情况不断进行参数优化调整，最终使系统达到了较好的状态，资料收集充分，运行比较稳定。

国产雷达侧扫测流系统安装简便，无需过河设施，可实现对河流表面流场及网格点流速的连续监测，能够提高流量测验效率。相比同类进口设备（价格昂贵，核心产品资料不透明）,国产雷达侧扫测流系统具有明显优势。

利用兰州站雷达侧扫测流系统采集到的数据与流速仪法测流成果（线推流量）率定流量系数，并进行误差分析。系统成果计算原理与水面浮标法相近，参考《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)均匀浮标法测验相关规定进行评定，成果如下。

瞬时流量：2020年7月19日—9月6日，水位变化范围为1513.22～1513.75 m，相应流量为2800～3380 m3/s，流量系数为0.76，测点标准差5.48%，随机不确定度为10.96%，系统误差为-0.55%。2020年10月2日—2021年3月14日，水位变化范围为1509.89～1512.84 m，相应流量范围为340～2400 m3/s，流量系数为0.758，测点标准差5.99%，随机不确定度为11.97%，系统误差为0.93%。

日均流量：以日均流量值为样本，算得标准差为4.46%，随机不确定度为8.92%，系统误差为0.09%。

月均流量：以月均流量值为样本，计算各月相对误差，月均值最大误差为4.81%，最小误差为0，平均误差为0.26%。

从以上分析结果中可以看出，瞬时流量受风力风向、过往船只、仪器自身性能等不确定因素的影响，误差较大，仅能满足二类精度站浮标法流量测验要求；日均流量、月均流量因测验时间长、测次多，偶然性误差相互抵消，具有较好的测验精度。

6 存在问题

6.1 异常点及突出点的筛选

在实际应用中，雷达侧扫测流系统采集数据存在一定的异常点和突出点，需参考测站水位流量关系线在计算、统计时予以修正或删除。

6.2 近端、远端流速处理

对流速仪与雷达侧扫测流系统采集的表面流速进行分析，雷达侧扫测流系统在近端（靠近仪器一侧）和远端（河对岸）采集的表面流速相对误差较大，但因两端所占面积、流速值较小，故对流量计算结果的影响不大。

6.3 雷达波干扰

2020年10月26 日—11月15日，雷达侧扫测流系统出现雷达波信号大幅减弱现象，可能是仪器发射频率（415 MHz）与附近警务信号、移动基站等装置发生同频电磁干扰，导致数据异常。应改变仪器发射频率，避免类似情况发生。

6.4 船只影响

兰州站测流河段为通航河段，大多数异常点出现在白天通航时段，船只对系统采集流速值有影响，导致流速出现异常值，影响测验精度。

6.5 降水及风速影响分析

在本次比测期间，共出现15场降水（雪），最大日降水量为9.2 mm，最大雨强仅0.2 mm/min。经观测分析，降水对雷达侧扫测流系统采集流量值的影响不明显，或是因为降水强度较小，对仪器采集影响不显著，需要进一步进行比测分析。

7 建议

对系统测量中存在的异常点、突出点进行修正，建议厂家完善相应数据处理功能，对测站综合水位—流量关系线或仪器采集数据进行分析过滤，对误差大于±5%（根据不同水位级确定）的数据进行提醒，人工根据实际情况修正，并优化雷达发射频率，消除过往船只、信号干扰、大风等造成的随机误差，提高流量测验精度。

应用雷达侧扫测流系统后，流量测验资料的整编方式、要求及提交资料的内容、格式与传统流速仪法测验要求不一致，应完善相应整汇编工作要求，并建立或完善相应操作规程及使用规范。

建议在系统软件中增加水位、流量等日、月、年特征值统计、格式化输出功能，便于测站日常下载应用及与整编软件对接。