雷達波實時在線測流系統在麗江市的應用

楊建東，方金鑫，姜 敏

（麗江市水文水資源局，云南 麗江 674200）

雷達波實時在線測流系統在麗江市的應用

楊建東，方金鑫，姜 敏

（麗江市水文水資源局，云南 麗江 674200）

針對傳統的河道流量測驗方式自動化水平低，難以適應當前水文測驗點多面廣、任務繁重的新形勢，麗江市水文水資源局在仁里水文站等 12 個站點安裝非接觸式雷達波流量測量設備（RQ-30），建成麗江市河道水位流量實時在線監測系統。通過分析設備的工作原理，性能特點，對比分析實測資料，在線測流設備各項指標符合《河流流量測驗規范》要求，改善水文測驗人員的工作條件，減輕勞動強度，提高預警預報的時效，可以作為中小河流水位流量自動監測的主要設備。

雷達波；流量；RQ-30；應用

0 引言

近年來，隨著中小河流水文監測系統建設項目的實施，各類水文站點數量大幅增加。2010年底麗江市共有水文站 6 個，水位站 1 個，雨量站 45 個，2016年底發展到共有水文站 13 個，水位站 6 個，雨量站 125 個，水文站增加了 116.7%，水位站增加了500.0%，雨量站增加了 177.8%。各類站網的補充和完善增強了水文為地方服務的能力，同時也給水文部門帶來了巨大的挑戰，為此麗江市水文水資源局在全市 12 個水文站安裝了非接觸式雷達波水位流量實時在線監測系統。通過 2016年汛期的運行，對實測資料進行對比分析，積累雷達波在線測流技術經驗，具有十分重要的意義。

12 個自動監測站建設在麗江市一區四縣，分別是仁里、總管田、木家橋、來遠橋、莊房、石龍壩6 個國家基本水文站和巨甸、永勝、干田灣、戰河、永寧、華坪 6 個中小河流水文站。各站點的河流特性不同，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）；流速最大的是來遠橋站（5.28 m/s），最小的是永勝站（0.00 m/s）；仁里、木家橋、來遠橋、巨甸、永勝、戰河、永寧、華坪8 個水文站河床穩定，水位流量關系曲線呈單一線；總管田、莊房、干田灣 3 個水文站受沖淤變化影響，水位流量關系曲線呈臨時曲線；石龍壩站受洪水漲落率影響，水位流量關系曲線呈繩套線。中心數據平臺建設在麗江市水文水資源局。

1 雷達波實時在線測流系統介紹

雷達波實時在線測流系統由自動監測站和中心數據平臺組成。自動監測站將水位流量信息實時同步自動采集、控制及存儲，并通過無線網絡將數據傳輸到中心數據平臺，根據中心數據平臺下傳的指令集，進行監測頻次更改、監測過程控制、數據提取等，實現實時在線監測。中心數據平臺負責 12 個自動監測站的運行管理和系統信息收集、處理、入庫和應用等。

1.1 自動監測站

自動監測站包括：非接觸式雷達波流量測量設備（以下簡稱 RQ-30）、遙測數據采集終端、通信設備、實時監測數據顯示屏、太陽能電池、蓄電池、防雷設施、設備安裝支架等。本應用主要介紹RQ-30 和遙測數據采集終端。

1.1.1 RQ-30 工作原理

RQ-30 是一種非接觸、低功耗、低維護的全自動遠程流量監測設備。它利用非接觸式波譜技術對河流水位和流速開展自動測驗，并將數據傳輸到中心數據平臺。測流原理圖如圖 1 所示。

圖 1 測流系統原理圖

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

河道流量 Q 計算公式為

截面積可通過測量點剖面形狀與實際水位測量得出。測速雷達測出的測量點局部流速與斷面平均流速符合以下關系：

應用上式計算流量時，需建立一張水位與截面積關系的表格并錄入 RQ-30 里，此表格樣例可由程序 RQ Commander 生成，K 系數表由 the Sommer RQ Commander 模型模擬測點算出，保存在 RQ-30 里。

1.1.2 遙測數據采集終端

遙測數據采集終端選用 YDH-1FS，該設備是穩定可靠的定型產品，滿足水文測驗和報汛技術要求，能實現多信息源數據采集和多信道數據傳輸。具有自動實時采集、存儲水位流量數據，甄別和補發漏報數據，增量和定時自報，接受中心數據平臺管理，通過 GPRS 與中心數據平臺實現雙向通信，遠程診斷，遠程設置與維護等功能。

1.2 中心數據平臺

中心數據平臺主要由軟件（實時數據接收、處理、轉發、查詢、共享等）和硬件設備（數據接收處理單元）構成，主要功能是：實時監測水位、流量信息，并整合到同一數據平臺，遙測狀態管理，遙測數據處理，實時數據存儲、入庫及上網傳輸，遙測數據統計分析，自動生成常用的數據表格，包括：水位日報表、逐日平均水位表和流量表、水文要素摘錄表等。生成的報表可以打印或存入文件中。

2 雷達波實時在線測流系統的特點

1）安全、高效。實現自動測量，降低人力成本和勞動強度。能夠解決常規水文測驗方式無法實現高流速時洪水流量自動測量問題，縮短了流量測驗周期，提高了報汛實效，更能保障測驗人員安全。

2）自動化程度高。實現全天候自動在線監測，自動傳輸，在線查詢，不間斷跟蹤測量，并能夠及時捕捉洪水漲落、河床沖淤、潮汐變化、繩套效應等信息。通過設置，最低可達到 5 min 發送水位、流速、流量等數據，樣本多，為后期分析提供大量的數據支撐。

3）抗干擾性強。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，設備可靠，維護成本低。

4）設備性能好，技術領先。采用平面數字雷達固件，回波質量高，測速范圍大（0.15～15.00 m/s），野外條件下測速精度為 0.01 m/s。集成雷達水位計，精度高（± 2 mm），測量范圍大（0.5～35.0 m），數據穩定。

3 典型站比測分析

RQ-30 通過監測水位和流速計算流量，因此流量的精度主要來自水位和流速的精度。應用雷達波測量河道水位已有較長的時間，技術成熟，測量精度能夠滿足 GBJ 138—90《水位觀測標準》的規定，不再做水位誤差分析。只依據 LS25 型流速儀所測流量數據，對 RQ-30 所測流量數據進行誤差分析。

3.1 典型站選擇

選擇代表性強，比測次數大于 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）河床穩定，水位流量關系曲線呈單一線，如仁里站；2）受沖淤變化影響，水位流量關系曲線呈臨時曲線，如總管田站；3）受洪水漲落率影響，水位流量關系曲線呈繩套線，如石龍壩站。

3.2 誤差分析

根據 LS25 型流速儀實測流量的時間摘錄 RQ-30測量的流量數據，繪制 2 種測驗方法的仁里站、石龍壩站和總管田站水位-流量關系曲線，分別如圖 2，3，4 所示，由圖可以看出各站的水位流量關系點子密集，分布成帶狀，沒有明顯的系統偏離。

圖 2 仁里站水位-流量關系曲線圖

圖 3 石龍壩站水位-流量關系曲線圖

圖 4 總管田站水位-流量關系曲線圖

為了進一步分析 2 種方法的流量測驗誤差，自2016年 6—10月，仁里、石龍壩和總管田 3 個典型站共對比測量流量資料 78 次，分別計算 3 個站的相對誤差、系統誤差、標準差和總不確定度[2]，分析成果如表 1 所示。

式中：δQi為相對誤差；Q0i為 LS25 型流速儀所測流量；Qci為 RQ-30 所測流量；Sc為標準差；為RQ-30 所測流量均值；為 LS25 型流速儀所測流量均值；n 為測次總數。

依據以上公式進行誤差計算，仁里、石龍壩和總管田站的系統誤差分別是 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《河流流量測驗規范》均勻浮標法單次流量測驗允許誤差標準的規定[4]，仁里、石龍壩和總管田站的系統誤差均在 -2～1 的誤差指標允許范圍內，總不確定度都小于 11% 的誤差指標，3 個站的 RQ-30 所測流量數據滿足國家二類精度水文站浮標法單次流量測驗允許誤差的規定。

3.3 相關分析

根據仁里、石龍壩和總管田水文站的比測流量，利用 Excel 進行相關分析，繪制 3 個典型站的回歸直線圖，分別如圖 5，6，7 所示。

圖 5 仁里站比測數據回歸直線圖

通過相關分析，仁里站的相關方程是：y = 1.002 2 x - 0.210 2，相關系數 0.998；石龍壩站的相關方程是：y = 0.978 2 x + 2.206 4，相關系數 0.991?？偣芴镎镜南嚓P方程是：y =1.013 3 x - 1.446 9，相關系數 0.992?？梢钥闯?LS25 型流速儀和 RQ-30 流量數據的相關性很好，3 個站的數據相關性都在 99%以上。

圖 6 石龍壩站比測數據回歸直線圖

圖 7 總管田站比測數據回歸直線圖

4 結語

非接觸式雷達波表面流速測流法是水利部《中小河流水文監測系統建設技術指導意見》推薦的河道流量測驗方法之一[5]，該技術在麗江市河道測流中得到了較為普遍的應用。作為傳統方法的補充和替代，不但提高了資料的完整性和可靠性，減輕了勞動強度，提高了測流成果的時效性，尤其是它能夠長期自動測量和輸出數據的特點，使天然河道流量自動監測成為可能，從而進一步提高了水文測報的自動化水平，可以作為中小河流流量在線自動監測的設備推廣使用。

[1] 王俊，熊明. 長江水文測報自動化技術研究[M]. 南京：河海大學出版社，2007: 98-100.

[2] 錢學偉，陸建華. 水文測驗誤差分析與評定[M]. 北京：中國水利水電出版社，2007: 1-94.

[3] 金光炎. 水文水資源應用統計計算[M]. 南京：東南大學出版社，2011: 51-56.

[4] 中華人民共和國水利部. 河流流量測驗規范：GB 50179—2015[S]. 北京：中國計劃出版社，2016: 85-86.

[5] 水利部水文局. 中小河流水文監測系統建設技術指導意見[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，主要從事水文基礎設施建設、水文測報自動化技術研究工作。