雷達(dá)波實(shí)時(shí)在線測(cè)流系統(tǒng)在麗江市的應(yīng)用

楊建東，方金鑫，姜 敏

（麗江市水文水資源局，云南 麗江 674200）

雷達(dá)波實(shí)時(shí)在線測(cè)流系統(tǒng)在麗江市的應(yīng)用

楊建東，方金鑫，姜 敏

（麗江市水文水資源局，云南 麗江 674200）

針對(duì)傳統(tǒng)的河道流量測(cè)驗(yàn)方式自動(dòng)化水平低，難以適應(yīng)當(dāng)前水文測(cè)驗(yàn)點(diǎn)多面廣、任務(wù)繁重的新形勢(shì)，麗江市水文水資源局在仁里水文站等 12 個(gè)站點(diǎn)安裝非接觸式雷達(dá)波流量測(cè)量設(shè)備（RQ-30），建成麗江市河道水位流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過分析設(shè)備的工作原理，性能特點(diǎn)，對(duì)比分析實(shí)測(cè)資料，在線測(cè)流設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求，改善水文測(cè)驗(yàn)人員的工作條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高預(yù)警預(yù)報(bào)的時(shí)效，可以作為中小河流水位流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要設(shè)備。

雷達(dá)波；流量；RQ-30；應(yīng)用

0 引言

近年來，隨著中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，各類水文站點(diǎn)數(shù)量大幅增加。2010年底麗江市共有水文站 6 個(gè)，水位站 1 個(gè)，雨量站 45 個(gè)，2016年底發(fā)展到共有水文站 13 個(gè)，水位站 6 個(gè)，雨量站 125 個(gè)，水文站增加了 116.7%，水位站增加了500.0%，雨量站增加了 177.8%。各類站網(wǎng)的補(bǔ)充和完善增強(qiáng)了水文為地方服務(wù)的能力，同時(shí)也給水文部門帶來了巨大的挑戰(zhàn)，為此麗江市水文水資源局在全市 12 個(gè)水文站安裝了非接觸式雷達(dá)波水位流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過 2016年汛期的運(yùn)行，對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，積累雷達(dá)波在線測(cè)流技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，具有十分重要的意義。

12 個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)在麗江市一區(qū)四縣，分別是仁里、總管田、木家橋、來遠(yuǎn)橋、莊房、石龍壩6 個(gè)國(guó)家基本水文站和巨甸、永勝、干田灣、戰(zhàn)河、永寧、華坪 6 個(gè)中小河流水文站。各站點(diǎn)的河流特性不同，流域面積最小的是永勝站（72.7 km2），最大的是總管田站（2 083.0 km2）；流速最大的是來遠(yuǎn)橋站（5.28 m/s），最小的是永勝站（0.00 m/s）；仁里、木家橋、來遠(yuǎn)橋、巨甸、永勝、戰(zhàn)河、永寧、華坪8 個(gè)水文站河床穩(wěn)定，水位流量關(guān)系曲線呈單一線；總管田、莊房、干田灣 3 個(gè)水文站受沖淤變化影響，水位流量關(guān)系曲線呈臨時(shí)曲線；石龍壩站受洪水漲落率影響，水位流量關(guān)系曲線呈繩套線。中心數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)在麗江市水文水資源局。

1 雷達(dá)波實(shí)時(shí)在線測(cè)流系統(tǒng)介紹

雷達(dá)波實(shí)時(shí)在線測(cè)流系統(tǒng)由自動(dòng)監(jiān)測(cè)站和中心數(shù)據(jù)平臺(tái)組成。自動(dòng)監(jiān)測(cè)站將水位流量信息實(shí)時(shí)同步自動(dòng)采集、控制及存儲(chǔ)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)平臺(tái)，根據(jù)中心數(shù)據(jù)平臺(tái)下傳的指令集，進(jìn)行監(jiān)測(cè)頻次更改、監(jiān)測(cè)過程控制、數(shù)據(jù)提取等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。中心數(shù)據(jù)平臺(tái)負(fù)責(zé) 12 個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的運(yùn)行管理和系統(tǒng)信息收集、處理、入庫(kù)和應(yīng)用等。

1.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站

自動(dòng)監(jiān)測(cè)站包括：非接觸式雷達(dá)波流量測(cè)量設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱 RQ-30）、遙測(cè)數(shù)據(jù)采集終端、通信設(shè)備、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示屏、太陽(yáng)能電池、蓄電池、防雷設(shè)施、設(shè)備安裝支架等。本應(yīng)用主要介紹RQ-30 和遙測(cè)數(shù)據(jù)采集終端。

1.1.1 RQ-30 工作原理

RQ-30 是一種非接觸、低功耗、低維護(hù)的全自動(dòng)遠(yuǎn)程流量監(jiān)測(cè)設(shè)備。它利用非接觸式波譜技術(shù)對(duì)河流水位和流速開展自動(dòng)測(cè)驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)平臺(tái)。測(cè)流原理圖如圖 1 所示。

圖 1 測(cè)流系統(tǒng)原理圖

流速測(cè)量利用多普勒頻移效應(yīng)原理，儀器發(fā)送固定頻率雷達(dá)波（24 GHz）斜向射到水面，一部分雷達(dá)波被水面波浪反射回來，反射回來的雷達(dá)波產(chǎn)生多普勒頻移信息被儀器接收，測(cè)出反射和發(fā)射信號(hào)的頻差，就可以計(jì)算出水面波浪的流速，由于水的表面是波浪的載體，可以認(rèn)為波浪和水面流速相同[1]。計(jì)算公式為

河道流量 Q 計(jì)算公式為

截面積可通過測(cè)量點(diǎn)剖面形狀與實(shí)際水位測(cè)量得出。測(cè)速雷達(dá)測(cè)出的測(cè)量點(diǎn)局部流速與斷面平均流速符合以下關(guān)系：

應(yīng)用上式計(jì)算流量時(shí)，需建立一張水位與截面積關(guān)系的表格并錄入 RQ-30 里，此表格樣例可由程序 RQ Commander 生成，K 系數(shù)表由 the Sommer RQ Commander 模型模擬測(cè)點(diǎn)算出，保存在 RQ-30 里。

1.1.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集終端

遙測(cè)數(shù)據(jù)采集終端選用 YDH-1FS，該設(shè)備是穩(wěn)定可靠的定型產(chǎn)品，滿足水文測(cè)驗(yàn)和報(bào)汛技術(shù)要求，能實(shí)現(xiàn)多信息源數(shù)據(jù)采集和多信道數(shù)據(jù)傳輸。具有自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)水位流量數(shù)據(jù)，甄別和補(bǔ)發(fā)漏報(bào)數(shù)據(jù)，增量和定時(shí)自報(bào)，接受中心數(shù)據(jù)平臺(tái)管理，通過 GPRS 與中心數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向通信，遠(yuǎn)程診斷，遠(yuǎn)程設(shè)置與維護(hù)等功能。

1.2 中心數(shù)據(jù)平臺(tái)

中心數(shù)據(jù)平臺(tái)主要由軟件（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)、查詢、共享等）和硬件設(shè)備（數(shù)據(jù)接收處理單元）構(gòu)成，主要功能是：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位、流量信息，并整合到同一數(shù)據(jù)平臺(tái)，遙測(cè)狀態(tài)管理，遙測(cè)數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、入庫(kù)及上網(wǎng)傳輸，遙測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)生成常用的數(shù)據(jù)表格，包括：水位日?qǐng)?bào)表、逐日平均水位表和流量表、水文要素摘錄表等。生成的報(bào)表可以打印或存入文件中。

2 雷達(dá)波實(shí)時(shí)在線測(cè)流系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）安全、高效。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，降低人力成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。能夠解決常規(guī)水文測(cè)驗(yàn)方式無法實(shí)現(xiàn)高流速時(shí)洪水流量自動(dòng)測(cè)量問題，縮短了流量測(cè)驗(yàn)周期，提高了報(bào)汛實(shí)效，更能保障測(cè)驗(yàn)人員安全。

2）自動(dòng)化程度高。實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，自動(dòng)傳輸，在線查詢，不間斷跟蹤測(cè)量，并能夠及時(shí)捕捉洪水漲落、河床沖淤、潮汐變化、繩套效應(yīng)等信息。通過設(shè)置，最低可達(dá)到 5 min 發(fā)送水位、流速、流量等數(shù)據(jù)，樣本多，為后期分析提供大量的數(shù)據(jù)支撐。

3）抗干擾性強(qiáng)。不受天氣狀況、漂浮物、水體氣泡、泥沙、河底水草等外界因素的干擾，設(shè)備可靠，維護(hù)成本低。

4）設(shè)備性能好，技術(shù)領(lǐng)先。采用平面數(shù)字雷達(dá)固件，回波質(zhì)量高，測(cè)速范圍大（0.15～15.00 m/s），野外條件下測(cè)速精度為 0.01 m/s。集成雷達(dá)水位計(jì)，精度高（± 2 mm），測(cè)量范圍大（0.5～35.0 m），數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

3 典型站比測(cè)分析

RQ-30 通過監(jiān)測(cè)水位和流速計(jì)算流量，因此流量的精度主要來自水位和流速的精度。應(yīng)用雷達(dá)波測(cè)量河道水位已有較長(zhǎng)的時(shí)間，技術(shù)成熟，測(cè)量精度能夠滿足 GBJ 138—90《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，不再做水位誤差分析。只依據(jù) LS25 型流速儀所測(cè)流量數(shù)據(jù)，對(duì) RQ-30 所測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。

3.1 典型站選擇

選擇代表性強(qiáng)，比測(cè)次數(shù)大于 20 次的仁里、石龍壩和總管田水文站作為典型站。選取的典型站分別代表了麗江市的 3 種河流特性：1）河床穩(wěn)定，水位流量關(guān)系曲線呈單一線，如仁里站；2）受沖淤變化影響，水位流量關(guān)系曲線呈臨時(shí)曲線，如總管田站；3）受洪水漲落率影響，水位流量關(guān)系曲線呈繩套線，如石龍壩站。

3.2 誤差分析

根據(jù) LS25 型流速儀實(shí)測(cè)流量的時(shí)間摘錄 RQ-30測(cè)量的流量數(shù)據(jù)，繪制 2 種測(cè)驗(yàn)方法的仁里站、石龍壩站和總管田站水位-流量關(guān)系曲線，分別如圖 2，3，4 所示，由圖可以看出各站的水位流量關(guān)系點(diǎn)子密集，分布成帶狀，沒有明顯的系統(tǒng)偏離。

圖 2 仁里站水位-流量關(guān)系曲線圖

圖 3 石龍壩站水位-流量關(guān)系曲線圖

圖 4 總管田站水位-流量關(guān)系曲線圖

為了進(jìn)一步分析 2 種方法的流量測(cè)驗(yàn)誤差，自2016年 6—10月，仁里、石龍壩和總管田 3 個(gè)典型站共對(duì)比測(cè)量流量資料 78 次，分別計(jì)算 3 個(gè)站的相對(duì)誤差、系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差和總不確定度[2]，分析成果如表 1 所示。

式中：δQi為相對(duì)誤差；Q0i為 LS25 型流速儀所測(cè)流量；Qci為 RQ-30 所測(cè)流量；Sc為標(biāo)準(zhǔn)差；為RQ-30 所測(cè)流量均值；為 LS25 型流速儀所測(cè)流量均值；n 為測(cè)次總數(shù)。

依據(jù)以上公式進(jìn)行誤差計(jì)算，仁里、石龍壩和總管田站的系統(tǒng)誤差分別是 0.70%，0.50%，0.62%；總不確定度分別是 9.95%，10.97%，7.98%。

參照 GB 50179—2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》均勻浮標(biāo)法單次流量測(cè)驗(yàn)允許誤差標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[4]，仁里、石龍壩和總管田站的系統(tǒng)誤差均在 -2～1 的誤差指標(biāo)允許范圍內(nèi)，總不確定度都小于 11% 的誤差指標(biāo)，3 個(gè)站的 RQ-30 所測(cè)流量數(shù)據(jù)滿足國(guó)家二類精度水文站浮標(biāo)法單次流量測(cè)驗(yàn)允許誤差的規(guī)定。

3.3 相關(guān)分析

根據(jù)仁里、石龍壩和總管田水文站的比測(cè)流量，利用 Excel 進(jìn)行相關(guān)分析，繪制 3 個(gè)典型站的回歸直線圖，分別如圖 5，6，7 所示。

圖 5 仁里站比測(cè)數(shù)據(jù)回歸直線圖

通過相關(guān)分析，仁里站的相關(guān)方程是：y = 1.002 2 x - 0.210 2，相關(guān)系數(shù) 0.998；石龍壩站的相關(guān)方程是：y = 0.978 2 x + 2.206 4，相關(guān)系數(shù) 0.991?？偣芴镎镜南嚓P(guān)方程是：y =1.013 3 x - 1.446 9，相關(guān)系數(shù) 0.992。可以看出 LS25 型流速儀和 RQ-30 流量數(shù)據(jù)的相關(guān)性很好，3 個(gè)站的數(shù)據(jù)相關(guān)性都在 99%以上。

圖 6 石龍壩站比測(cè)數(shù)據(jù)回歸直線圖

圖 7 總管田站比測(cè)數(shù)據(jù)回歸直線圖

4 結(jié)語

非接觸式雷達(dá)波表面流速測(cè)流法是水利部《中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)指導(dǎo)意見》推薦的河道流量測(cè)驗(yàn)方法之一[5]，該技術(shù)在麗江市河道測(cè)流中得到了較為普遍的應(yīng)用。作為傳統(tǒng)方法的補(bǔ)充和替代，不但提高了資料的完整性和可靠性，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測(cè)流成果的時(shí)效性，尤其是它能夠長(zhǎng)期自動(dòng)測(cè)量和輸出數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，使天然河道流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)成為可能，從而進(jìn)一步提高了水文測(cè)報(bào)的自動(dòng)化水平，可以作為中小河流流量在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)的設(shè)備推廣使用。

[1] 王俊，熊明. 長(zhǎng)江水文測(cè)報(bào)自動(dòng)化技術(shù)研究[M]. 南京：河海大學(xué)出版社，2007: 98-100.

[2] 錢學(xué)偉，陸建華. 水文測(cè)驗(yàn)誤差分析與評(píng)定[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2007: 1-94.

[3] 金光炎. 水文水資源應(yīng)用統(tǒng)計(jì)計(jì)算[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，2011: 51-56.

[4] 中華人民共和國(guó)水利部. 河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范：GB 50179—2015[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2016: 85-86.

[5] 水利部水文局. 中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)指導(dǎo)意見[A]. 北京：水利部水文局，2011: 6-8.

Application of radar real-timeand on-line flow measurement system in Lijiang City

YANG Jiandong, FANG Jinxin, JIANG Min
(Hydrologyand Water Resources Survey Bureau of Lijiang City, Lijiang 674200, China)

Theautomation level of traditional way of discharge measurement is low, which cannotadapt to the new situation of more test point in broadareaand hard mission. Lijiang Hydrology Bureau has builta real-timeand on-line stage-discharge measuring system，byadpoting radar discharge measurment（RQ-30）in 12 sites，suchas Renli site. Throughanalyzing the working principleand performance characteristics of the equipment, comparingandanalyzing the measured data, it is proved that the indicators meet the requirements of “Code for liquid flow measurement”. The on-line flow measurement equipments improve the working conditions of hydrological test personnel, reduce labor intensity, improve the timeliness of early warning forecast, can be usedas the main equipment of smalland mediumsized river water stage-dischargeautomatic monitoring.

radar wave; discharge; RQ-30;application

TN95；P332.4

A

1674-9405(2017)02-0050-04

10.19364/j.1674-9405.2017.02.011

2016-12-13

楊建東（1971-），男，云南永勝人，工程師，主要從事水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、水文測(cè)報(bào)自動(dòng)化技術(shù)研究工作。