侧扫雷达在线流量监测系统在金沙江石鼓水文站的应用

勾晶晶，裴胜义

（长江上游水文水资源勘测局攀枝花分局，四川 攀枝花 617000）

1 测站特性

石鼓水文站始建于1939 年2 月，由长江水利委员会领导，为长江上游干流控制站，位于云南省丽江市石鼓镇大同村，东经99°56′，北纬26°54′，集水面积为214 184 km2，距河口距离4 175 km。为控制金沙江干流上游河段水情，以及认识河流水文特性而建立的一类精度流量站、一类精度泥沙站，属国家基本水文站，现有水位、流量、单样含沙量、悬移质输沙率、颗分、降水、蒸发、地下水水位、地下水水温、水质分析等测验项目。

2 仪器主要技术指标和运行方式

石鼓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[1]。系统主要技术指标如表1 所示。

表1 系统主要技术指标[2]

表1 （续）

3 雷达测流比测及分析

3.1 资料收集情况

按照GB 50179—2015《河流流量测验规范》中第4.1.2 条规定，本站采用侧扫雷达测流系统在高、中、低不同水位级下与流速仪同步进行比测。通过与实测流量进行分析确定侧扫雷达测流系统应采用计算参数，再分析雷达流量和流速仪定线流量之间的误差关系，分析仪器在石鼓站的适用条件和使用范围[3]。

按照GB 50179—2015《河流流量测验规范》中第4.1.2 条规定，本站采用侧扫雷达测流系统在高、中不同水位（或者流量）级下与流速仪同步进行比测。

3.2 资料分析情况

本次分析在收集侧扫雷达测流资料基础上应用雷达流量与水位关系分析了解总体状态，分析相同水位下雷达实测流量稳定性，再确定分析范围、分析方法（线性关系、多项式关系）以及计算样本系统误差、随机不确定度，评估其还原性，最后确定最优本雷达测流系统虚流量换算断面流量的适用公式。

侧扫雷达流量数据经过多次与厂商沟通现在已经基本与水文计算方法一致，可以用于推流计算，断面实际起点距公式为D=侧扫雷达起点距－49.5+17，左右水边为实测，起点距高程根据已知起点距插补而来，经过计算无误。

侧扫雷达所用断面数据为石鼓站测断面数据及时更新替换，所用水位数据为临近5 min 数据，偶尔会有传输不及时的，采用前5 min 数据。鉴于石鼓站水位比较稳定，对流量成果无影响。

下面推流计算中侧扫雷达流量推求日平均流量均是采用连实测流量法推流计算。

3.2.1 侧扫雷达流量与实测流量在相同水位的稳定性

对侧扫雷达实测流量连续系列资料进行水位排序，分析相同水位所测流量的稳定性，从而可以分析侧扫雷达测流的稳定性，可以看出水位1 820～1 823.46 m 误差基本都在±3%以内，从而得出侧扫雷达系统测流比较稳定。

3.2.2 侧扫雷达测流系统与流速仪实测流量系列关系（单一线1 820 m 以上）

考虑到侧扫雷达测流系统与流速仪流量线性关系良好，分别建立两者间线性关系及多项式关系（采用一部分实测流量与一部分整编定线水位流量），在这2种关系之间进行甄选。

3.2.2.1 线性关系

侧扫雷达流量与流速仪流量线性关系分析如图1所示。

图1 侧扫雷达流量与流速仪流量线性关系分析图

经建立相关图可以看到，侧扫雷达流量与流速仪流量公式为Q常=0.921 3Q雷，显著性达0.995，线性关系良好。

3.2.2.2 多项式关系

侧扫雷达流量与流速仪流量多项式关系分析如图2 所示。

图2 侧扫雷达流量与流速仪流量多项式关系分析图

3.2.3 2 种方法的还原性误差

还原性分析采用分析出的线性公式及多项式公式雷达虚流量31 次，再与流速仪定线流量比较误差。雷达线性关系系数还原误差分析如表2 所示。雷达多项式还原误差分析如表3 所示。

表2 雷达线性关系系数还原误差分析（Q 断=0.921 3Q 雷）

表3 雷达多项式还原误差分析（Q 断=0.000 000+0.909 6Q 雷）

表3 雷达多项式还原误差分析（Q 断=0.000 000+0.909 6Q 雷）

分析测次/次系统误差E B置信水平95%的综合不确定度系统偏差∑（流量误差）/n∑（误差－E）2 2[B/（n－1）0.5] ∑|流量误差|/n 31 1.03 30.95 2.03 0.90统计比测水位范围/m 1 819.95～1 823.48 最大偶然偏差比测流量范围/（m3·s-1）1 640～5 190 1.18比测数据月份 2021 年6 月至2021 年10 月

侧扫雷达流量线性公式及多项式公式换算的断面流量与流速仪线上流量误差从表中得出多项式公式各项误差与线性公式误差几乎接近。

3.2.4 比测分析结论

通过使用上述多种方式方法进行对比分析，采用侧扫雷达多项式定线与线性关系系数推求的2021-06-21—2021-10-25 的日平均流量与整编成果误差未超过4%占比高达100%，2 种方法的误差与定线整编误差、还原性分析误差几乎接近，只是在用2 种方法推求日平均流量时，多项式平均误差为0.20%，线性关系误差为0.61%，多项式误差明显小于线性关系，确定该雷达测流系统比测分析的多项式关系较优，线性公式为Q常=3E－06Q雷2+0.909 6Q雷，显著性达0.995 1，线性关系良好。可以在1 820～1 823.42 m 水位级以上使用，且数据成果可用于整编，完全能够满足报汛要求。

整编方法建议采用连实测流量法进行整编，及时验证与修正系数，多收集数据、积极研究1 820.00 m以下投产比测方案。水位流量关系呈绳套关系时应具体分析分线时机，注意验证，并及时更换相关系数。

4 结论

石鼓水文站的Ridar-200 型侧扫雷达设备，经与流速仪法比测约7 个月，取得了31 份可用的比测成果。通过分析比测成果，发现数据拟合较好，进行日平均流量比较、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石鼓水文站使用。