S3 SVRⅢ型雷达测流系统在金秀水文站的可行性分析

邓怀勇

（来宾水文中心，广西 来宾 546100）

为推进水文测验方式改革和实现水文要素监测自动化，提高监测效率，减轻劳动强度，本文以金秀水文站为例，依托该站现有设施和便利条件，在该站开展固定式雷达测流系统与常规旋浆流速仪测流进行比测分析，以验证雷达测流系统在该站的可行性和适用性。

1 基本概况

1.1 流域概况

金秀河属珠江流域西江水系，是运江支流。主流发源于来宾市金秀县老山，穿越瑶山群峰，流经金秀县城、金秀镇的金田村、长垌乡的平道村，蜿蜓流至铜盆岭西南麓入象州县境，至落脉出山入平原区，转东西向，傍象州县的那马、丁贡、平地、王村、那芙，过鸡德转向西北，傍河边村至罗秀汇入运江后入柳江，干流全长70.4 km。

1.2 测站概况

金秀水文站建于1980年1月，是金秀河的唯一控制站，位于河段的右岸，集水面积24.8 km2，属国家基本水文站，三类精度站。主要测验项目有：水位、流量（于1996年停测，2021年恢复测验）、降雨、蒸发，上游有桐油冲、高山等2个雨量站。该站最高水位778.13 m﹙85基准，下同），最低水位775.59 m。

1.3 测验断面情况

金秀水文站测验河段顺直，两岸为混凝土挡土墙，河床由卵石和岩石组成，无冲淤变化，无分流漫滩现象。基本水尺断面与流速仪测流断面和雷达测流断面重合（如图1所示）。

图1 金秀站测验河段平面图

1.4 流量测验情况

（1）流量常规测验方式：在流速仪测流断面处用旋浆流速仪施测，采用的流速仪均经过检验合格，测验过程严格按照《河流流量测验规范》GB 50179-2015要求进行，成果合理可靠。

（2）流量自动监测方式：在流速仪测流断面处的测桥上，采用安装的S3 SVRⅢ型固定式雷达测流系统在线时时监测流速，同步采集水位数据，借用断面面积参数，完成流量计算，再将水位、流速、流量等数据发送到服务器终端。

2 雷达测流系统介绍

2.1 安装情况

S3 SVRⅢ型固定式雷达测流系统是根据水面宽和断面形态，在断面处安装单个或多个雷达波流速传感器，相当于布设多条测速垂线。每个传感器通过数据总线接入测流控制单元。控制单元同步采集水位数据，根据预先设定的断面参数，完成流量计算。并将流量、流速、水位等数据发送到远程服务器，从而实现流量的在线自动监测。

结合固定雷达测流系统的安装条件和金秀水文站的基本情况，在金秀水文站安装固定雷达设备是可行的。2021 年5 月在该站安装了雷达设备并投入试运行，探头安装于测验断面处，安装高程约782.5 m，探头监测起点距位置4.5 m处，安装在河道的中泓位置，固定单点监测（如图2所示）。

图2 金秀站固定雷达测流系统现场安装图

2.2 工作原理

雷达波工作原理是以物理学中的多普勒效应为基础，当水流与雷达流速仪之间发生相对运动时，使雷达流速仪接收到反射信号与发射的信号频率产生偏移，频率的偏移与流速成正比，通过测量频率偏移量，即可测量水面的流速。

雷达测流系统是采用非接触方式测验水道断面上单条或多条垂线的水面流速，乘以部分过水断面面积，得到部分虚流量，求和得到断面虚流量，再乘以水面系数，得到河流的实测流量。用于替代浮标法，实现流量的在线监测。系统每5 分钟自动采集流速和水位，自动计算流量，并将流速、水位、流量等数据发送至服务器，并可自动发送至广西流量在线监测系统平台。计算公式如下：

其中：Q-断面实测流量m3/s；Kf-水面系数；Vˉ-水面平均流速；A-测流时的过水断面面积；Qf-断面虚流量m3/s。

3 比测可行性分析

3.1 比测方法

在金秀水文站流速仪测流断面处使用旋浆流速仪采用多线一点法进行流量施测，即：在断面处布设3条测流垂线，施测每条垂线相对水深0.6处的流速，然后采用面积加权法计算得到对应时间和相应水位的断面流量。从而得到断面相应时间和水位的平均流速，通过对应相应时间，查找固定雷达监测的表面流速，两者之间建立相关关系，并进行相关检验，确定相关关系的合理性，最终得到流速系数。

3.2 比测资料的采用

金秀水文站水位分级为：低水（777.00 m以下）、中水（777.00 m～777.80 m）、高水（777.80 m 以上）。该站最高水位为778.13 m（2015-10-05），最低水位为775.59 m（2021-01-09），水位变幅2.54 m。固定雷达测流系统2021年5月安装运行后，设备运行正常，监测数据完整，由于安装设备后该站没有发生高水以上水位级的洪水，目前监测到的最高水位为777.13 m，最低水位为775.59 m，水位变幅1.54 m，占总水位变幅的60.6%。同时，由于776.00 m 以下水位级的流速太小，已超出雷达测速的理论测量范围（0.5 m/s），故本次比测分析实测流量水位级为776.00 m～777.13 m，比测水位变幅1.13 m，占比测水位变幅的53.1%。

比测流量资料采用2021—2022 年共施测的26份流量，其中施测到776.00 m以上的流量份数为16份，且测次布置合理，测验过程和成果均符合规范要求。

3.3 实测水位流量关系分析

根据实测水位流量建立Z～Q关系曲线图（见图3），可见水位流量关系点子密集成带状，可通过点群中心定出单一曲线。

图3 金秀站水位流量关系曲线图

对Z～Q关系曲线进行符号、适线、偏离数值三种检验，检验结果均合格，资料质量可靠，可作为相关资料分析。检验结果见表1。

表1 金秀站2021～2022年水位流量关系曲线检验结果表

3.4 比测率定分析

2021年6月至2022年7月采用流速仪法开展固定式雷达流速同步比测率定工作，共收集16份有效的低中水位级率定成果，率定水位范围776.00～777.13 m，雷达表面流速范围0.55～2.47 m/s，率定水位变幅占实测水位变幅的53.1%。比测成果数据见表2。

表2 金秀站比测成果数据表

从表2中发现，流速比有大于1的情况出现，主要原因是该站测验断面下游有桥梁桥墩，在中高水时会有阻水情况，出现河水顶托现象，造成表面流速偏小。将该站固定雷达施测的流速与实测断面平均流速建立相关关系，关系式为：Vm= 0.034Vi2+1.171Vi-0.255，相关系数为0.999（见图4）。推算相应线上流速，经三项检验，计算得出标准差2.7%，随机不确定度5.4%，系统误差0.1%。依据《水文资料整编规范》（SL247-2012）中关于三类精度水文站水位流量关系定线精度指标的要求：三类站标准差≤6%，随机不确定度≤12%，系统误差≤±2%，采用水面浮标法测流定线随机不确定度可增大2%～4%，经计算认为本次定线合理，满足规范要求，检验结果详见表3。

表3 金秀站雷达流速关系率定分析成果精度检验结果表

图4 金秀站流速比测相关关系图

3.5 水量平衡分析

利用比测率定的公式对776.00 m 以上水位级的雷达流速进行修正，再进行流量计算，采用连实测流量过程线法进行推流，与采用流速仪法实测流量进行推流的结果进行对比，结果见表4。

表4 金秀站水量平衡分析表

从比测结果可知，两者间误差为0.3%，小于5%，成果是合格的，采用固定式雷达施测776.00 ～777.13 m水位级的流量是可行的。

3.6 率定公式的确定

通过相关分析，实测平均流速与雷达施测的流速是密切相关的。从分析结果看，水位在776.00 ～777.130 m 时，各项分析结果都是符合规范要求的。因此，在该水位级时，可采用雷达进行流量测验，且资料可用于资料整编中。率定公式为：

Vm=0.034Vi2+1.171/%-0.255（其中Vm为断面平均流速；Vi为雷达实测流速）。

4 结语

（1）通过比测，金秀水文站776.00～777.13 m水位级时采用固定雷达测流系统进行流量测验是可行的，流速采用率定公式：Vm=0.034Vi2+1.171Vi-0.255进行换算，施测资料可用于资料整编中。

（2）建议776.00 m以下水位采用实测水位流量关系线或综合流量关系线进行推流，776.00～777.13 m 水位级采用固定式雷达测流系统测流，当出现777.13 m以上水位时继续开展比测分析工作，优化率定系数。