占承德，王翠银，余梦晖

（江西省九江市水文局，江西 九江 332000）

0 引言

在建设水文自动测报系统及防汛指挥系统时，雨水情信息传输的时效性和准确性显得尤为重要。当前，水文监测也面临着测站点数量成倍增加、人工驻测方式成本高效率低、洪水期测流安全威胁大等问题，为推进基层水文测验技术创新，提高水文信息时效性，解决无人驻守条件下中小河流测验难题，横路水文站对雷达波测流系统进行了测流应用，寻求转子式流速仪等常规仪器在大洪水和有漂浮物无法入水测验等问题的解决方法，为推广雷达波测流仪在中小河流应用积累经验[1]。

1 雷达波测流系统简介

移动式雷达波在线测流系统由测站设备、服务器管理软件、接收中心管理软件组成，借助跨河简易水文缆道，系统自动控制所有设备协同工作，记录不同时间下的水位，判定设定时间的水位变幅，根据设定的水位变幅自动启动雷达波测速过程，测流完成后系统根据实测水位、借用大断面资料，完成断面流量的计算，并通过网络传输到中心站，实现无人值守自动测验。

1.1 系统构成

系统主要由3部分组成：测站设备、服务器管理软件和接收中心管理软件。

（1）测站设备：主要由简易缆道、测流控制器、雷达测流传感器、自动行车、水位计、GPRS无线模块、太阳能供电系统、附属传感器组成。

（2）服务器管理软件：主要接收测站发来的全部信息，存入流量测验数据库。服务管理器软件提供WEB接口，用户可通过互联网查看测站数据、远程启动测站测流、远程修改测站参数。

（3）接收中心管理软件：管理人员可通过下载数据库中的测站数据，在计算机上再进行分析、整编，生成水文报表。

1.2 测流原理

借助跨河简易水文缆道，当探头自动移动到第一条测速垂线后，流速探头即根据控制系统的指令采集水面流速数据。依次自动移动到每条垂线进行测量，结合大断面资料计算出断面面积和断面流量[2]。

式中：Qf为断面虚流量，m3/s；Kf为回归系数；Q 为断面实测流量，m3/s。

测流软件在完成流速测量后，自动进行流量计算，并通过软件上传，水文测报中心管理人员通过软件下载数据库中数据，再进行分析、整编，生成水文报表。

1.3 工作过程

监控管理软件在缆道雷达波在线测流系统中自动控制所有设备协同工作，内存记录不同时间下的水位，判定设定时间的水位变幅，当水位上升或下降达到设定的水位变幅值时自动启动雷达波测速过程。测流过程中，系统软件将自动控制PLC缆道自动控制柜的上/下电、水文缆道的运行/停止、雷达探头测速的开始/停止，直至完成雷达波测速行车的走航。系统软件会再根据实测水位、借用大断面资料，完成断面流量的计算及传输。

2 横路水文站概况

2.1 测站基本情况

横路水文站位于江西省武宁县横路乡，东径115°07′11″，北纬 29°25′42″，集水面积 175km2。2016 年 5 月1日由江西省水文局设立，属三类精度水文站，由九江市水文局城区水文测报中心巡测管理。

测验设施设于河道右岸，测验河段顺直长约500m，无岔流、串沟、逆流等。河道水面宽在20～38m之间，河槽呈倒梯形，主河河床由细沙和淤泥组成，两岸筑有拦洪墙。左岸为陡坎，由岩石和壤土构成，右岸为水泥六方块护岸，断面冲淤不明显，河床较稳定（见图1）。

基本水尺断面下游100m处有一桥梁。

2.2 河流及水位流量关系特性

横路水文站属于修水一级支流巾口水支流上，洪水来源为上游降水，一次洪水过程1～2日，洪峰持续时间约20～40min，具有典型暴涨暴落山区性河流洪水特性；洪水一般为单峰型，间断性暴雨也会出现复式峰型，水位流量关系为单一曲线关系。

2.3 断面稳定性分析

根据2017～2019年3年汛前实测大断面数据，点绘历年大断面图（见图2）。由图2可知，因2018～2019年间进行了河道疏浚和对河岸护坡进行部分硬化改造，导致2017～2019年断面年际间均有小幅变化，改造完成，该站的断面总体稳定。

图1 横路水文站测验河段平面图

图2 横路水文站历年大断面图

计算各级水位所对应的面积，点绘2017～2019年水位～面积关系线，通过点群中心点绘横路水文站水位～面积综合线及其±3%、±6%的外包线。通过分析，横路水文站历年水位～面积曲线中高水部分都在±3%外包线内，低水部分基本在±6%外包线内，说明横路水文站断面较稳定。历年面积线与综合面积线误差及相邻年份间面积变化情况分析结果见表1。

综合以上分析，横路水文站断面较稳定，每年汛前实测一次大断面，并及时将断面数据更新保存至雷达波测流系统。

表1 横路水文站历年面积线与综合面积线误差及相邻年份间面积变化情况表

3 资料收集和成果分析

3.1 仪器使用和资料收集情况

横路水文站2016年安装调试雷达波测流系统并开始了试运行，2017年正式收集资并进行了资料初步分析整理。2017～2019年共有雷达波在线数据1 170次，正常运行天数为1 065天，3年故障天数为31天，中高水洪水过程全部收集到测流数据。

3.2 断面虚流量与实测流量的相关分析

本次分析共收集比测资料30次（其中低水12次、中水15次、高水3次，实测流量采用走航式ADCP在下游桥梁处收集，与雷达波测流同步收集流量资料）。分析样本系列中，实测最高水位69.09m，实测最低水位65.90m，实测水位变幅3.19m，实测最大流量176.00m3/s，实测最小流量 4.80m3/s[3]。

以断面实测流量（ADCP流量）Q为纵坐标、断面虚流量（雷达波流量）为横坐标建立相关关系图（见图3），通过线性回归的率定分析方法确定流量关系（江西省水文局2019年已对九江市水文局采用走航式ADCP作为流量测验常规方法予以批复，本次比测分析采用以走航式ADCP作为比测）。

3.3 相关关系的检验

采用Q线=0.860 1Q雷达+0.423 7过点群中心绘制相关关系线，并做相关线的符号、适线和偏离数值检验，横路站Q虚～Q实关系曲线检验计算表如表2所示。

图3 横路站雷达波流量与ADCP流量线性相关分析图

通过对30个样本容量分析，样本容量30，符号、适线、偏离数值检验均通过了检验，标准差8.30%，系统误差0.33%，各项检验指标均合格，符合三类精度水文站要求[4，5]。

表2 横路水文站Q虚～Q实关系曲线检验计算表

4 雷达波测流成果及水位流量关系应用分析

通过对走航ADCP流量（30次）进行分析以后，得出横路水文站水位流量关系是单一曲线并进行三检。同时为了更好证明雷达波在线测流系统在中小河流的适用情况，本次对横路水文站收集的雷达波在线测流系统的实测流量进行验证。采取按水位级分布在2019年雷达波流量测次中随机选择20次流量，通过Q线=0.860 1Q雷达+0.423 7换算后，进行水位流量关系线的拟合（见图4），并进行三线检定。

图4 横路站2019年水位～流量关系图

将ADCP流量和随机选择的雷达波流量两个系列合并定线，来判断两个系列是否存在系统偏离，在两个系列符合符号检验、适线检验、偏离数值检验的基础上进行t检验（检验两样本是否来自同一分布系列），检定结果见表3。

从相关线检验结果情况来分析，相关线各项检验指标均合格，符合三类精度水文站要求，可认为雷达波流量通过线性方程Q线=0.860 1Q雷达+0.423 7换算符合实际，较合理。从对ADCP流量和雷达波流两上系列t检验认为两系列没有系统偏离，可合并综合定线，实际工作中，在雷达波测流系统出现故障时可用单一线（综合线）代替。

5 影响雷达波测流的主要因素及处理方法

（1）河道测验断面资料对雷达波在线测流系统的流量测验结果有直接影响，能否及时取得大断面数据高程，并及时修改系统中断面数据参数，将有利于流量测验精度的提高。

（2）测验河段特性的稳定及断面水草生长对水流流态的影响亦将影响流量测验精度，宜每年对雷达波测流系统进行3～5次的流量校测，若发现Q虚～Q实关系存在较大变化，应及时对流量关系进行重新确定。

（3）雷达波测流理论测速范围在0.20m/s以上，通过在横路水文站应用收集的资料来看，当水位低于65.90m，流速在0.30m/s以下时，测流成果精度偏低，且当水位较低、流速特别小时，系统采集不到数据自动返回。

（4）当水位较低、流速较小或雷达波测流系统出现故障时，可根据本年度（近期）测流系统运行正常时期的流量测次，按水位级选取10～15次通过率定的流量关系线性方程进行换算后，进行水位流量关系的拟合，并与原定水位流量关系进行检验，如符合要求，则可沿用原水位流量关系进行推流计算或对故障缺测期资料进行补充，反之则应重新率定Q虚～Q实关系。

表3 横路站水位流量关系检验成果表

6 结语

根据以上分析，雷达波在线测流系统在横路水文站的应用无系统偏离，符合《河道流量测验规范》（GB50179-2015）第六章浮标法测流精度的要求。较好地解决了转子流速仪和ADCP因特殊水情无法正常测验等问题，同时亦可通过对水文测站特性及水位流量关系的分析，对雷达波测流成果应用进行补充和推流替代。因此可以认为移动式雷达波测流系统可作为横路水文站的测流手段，可以有效地提高中小河流流量监测现代化水平，在以防汛为主的流量测量中可发挥极大的作用。