双轨移动雷达测流系统在山区河道的适应性研究

摘要：随着全球气候更迭加剧，山区河道水文情势呈现复杂多变势头，传统接触式测流技术在洪水期面对人员安全风险高、设备易受泥沙及漂浮物干扰、维护本钱高等问题，难以满足实时化、自动化水文监测需求，双轨移动雷达在线测流系统作为一种非接触式测流设备，具备自动采集、无线传输、多模式测流（如定时施测、低温停测）及远程控制等功能，可有效解决传统技术的局限性，本次研究力求通过案例研究，为山区河道水文监测供应技术参考，探索非接触式测流技术在中小河流治理、水资源管理中的推广应用路径，助力水文监测自动化与智能化升级。

关键词：双轨移动雷达测流系统；山区河道；适应性分析；

引言：山区河道地形复杂、水流湍急，传统的水文测验方法存在一定的局限性，如缆道流速仪测流须要人工操作，在洪水期存在安全风险，且受河道冲淤更迭影响较大，随着科技发展，非接触式测流技术逐渐兴起，双轨移动雷达测流系统作为一种新型的测流设备，具有非接触式、安全可靠、不受泥沙及漂浮物影响等优点，为山区河道的水文测验供应了新的思路，长坪水文站坐落云南省昭通市永善县团结乡长坪村，是国家中小河流水文站、团结河控制站，其所在的流域内有已建电站，测流需求迫切，本研究旨在探讨双轨移动雷达测流系统在长坪水文站的适应性，为该系统在山区河道的应用供应科学依据。

一、长坪水文站基本情况及断面情况

1.1水文站基本情

长坪水文站于 2017 年 1 月 1 日由云南省水文水资源局昭通分局设立，测站编码 60405540，现坐落云南省昭通市永善县团结乡长坪村，东经 103°51′35.5″，北纬 28°11′52.4″，集水面积 402km²，占总流域面积的 88.7%，至源头距离 21.3km，该站为国家中小河流水文站、团结河控制站、区域代表站、三类精度站，自设立起开始运用国家 “85 基准” 高程系统，监测项目涵盖水位、流量、降水，设站目的是收集团结河流域基本水文信息，为下游的防汛抗旱、防灾减灾以及区域防洪供应科学依据，服务河（湖）长制工作，流域内有已建电站白水孔、双河电站及长坪电站。

此处展示部分水文站现场安装图片：

1.2测验断面情况

测验河段长约300m，测验段面上、下游均有弯道，断面处于“S”型河道中间，测验断面主流在右岸，左岸有漫滩，2018年“8.25”洪水之后，主流发生大幅摆动到中间，河床由砂、卵石、块石组成，测验河段内多处有大孤石，右岸为人工砌石护岸，左岸为天然护坡，常年洪水以上植有松林。

根据长坪水文站2017年～2020年共4次的实测大断面成果资料分析，断面主流在右岸，主要淤积变化发生断面起点距12～38m之间，断面冲淤变化频繁，大量乱石被冲入测验断面，低水测验困难。为方便维护与管理，本站的雷达式水位计安装在右岸。该站实测最大流速为4.78m/s，河流断面比降大，平均流速较大，涨水过程中常伴有大量的泥沙及漂浮物。2024年长坪站断面变化情况可以看出，长坪站断面冲淤变化较大，涨水属于陡涨陡落，洪水过后，主流的位置也会发生一定变化。

二、双轨移动雷达在线测流系统简介

（一）双轨移动雷达仪器简介

1.仪器简介

鹰眼双轨式移动雷达波自动测流系统是广州和时通电子科技有限公司推出的一款新型测流设备，采用非接触式雷达流速仪，可结合站点现有水位计（如浮子式水位计、气泡水位计等），实现实时自动输出流量、断面平均流速、表面实时流速、水位、断面面积、水位流量过程线等数据测量。即使在河流发生洪水时，也能提供连续的流速与流量数据，且不存在人员或设备的安全风险，对抗灾抢险具有重要意义[1]。

2.测量原理

雷达测流传感器根据多普勒频移原理测量水体流速，探头发射固定频率的超声波，接收被水体表面起伏散射回来的超声波，通过发射频率与回波频率的差值确定水体表面起伏的移动速度，采用指标流速法实行水道断面流量自动监测，通过走航式声学多普勒剖面仪或流速仪等设备测出指定断面的流量和面积，推算出断面平均流速，建立断面平均流速与指标流速的回归方程，从而实行流量的计算。

（二）双轨移动雷达性能及优势

1.移动双轨雷达特点及应用

行车配有双重止脱轨防跌落结构设计，在恶劣环境下能定鼎运行；独创接触式充电装置采用 316 海洋级别不锈钢弹簧，内含自动清理锈层设计，保证电力供应；行车配有回收装置，可人力拉回意外无法自动寻回行车；实行流量测量信息采集、传输自动化，提高水文信息准确性、时效性，节约人力物力；具有定时施测、加密施测、低水位停测、低温停测等多种测流体系；系统具有 GSM 模块短信报警功能，如雷达流速测验异常、雷达探头收回〔或转动〕异常、蓄电池缺电等短信报警；支持在测站现场利用手机 APP 应用查询、设置雷达波测流系统各类就职参数，能操作系统实行加测、召回、地形测验等功能；具有现场、远程参数修改功能。

2.优势

双轨移动雷达测流系统具有非接触式测流安全可靠、不受泥沙及漂浮物影响、无需水下构筑物支撑、测量和维护本钱低、高速精确测量且适用于洪水期高流速环境等优点。

（三）无线传输系统介绍

双轨雷达数据采集及无线传输系统涵盖现场端数据采集器、无线传输模块、太阳能供电系统等，以及中心站的服务器和监控软件，采用先进的数据采集器控制双轨雷达工作，采集到的数据通过无线传输模块实时传输到中心站，同时可利用短信报警功能，该系统具有可远程配置遥测站参数、支持多种通讯方法、可设定报警条件和触发条件、配置完善的避雷方案、可根据个性化需求定制功能等特点。

（四）集成单元

1..数据采集器

选用美国 CSI 公司的 Campbell 数采器，它是双轨雷达在线流量监测系统的大脑，具有功能超强灵活、模块化结构、极强的兼容性和扩展性、可靠性高、故障率低、数据记录、控制和传输能力强、运用快闪存储器作内存、可编程扫描采样速度范围广、耗电量低、MTBF 长等特点，适合野外环境的长期运用[2]。

2.数据收发模块

通过 GPRS 或 CDMA 网络实行现场和数据服务中心之间的无线数据传输，负责把数采器采集得到的数据发送至数据服务中心，同时接收从数据服务中心发来的指令，实行远程操作仪器。

3.数据传输通讯系统

多种数据传输方法可选，涵盖 GPRS/CDMA、卫星通讯、无线电传输等，中控室操控人员可以直接接受数据，发送指令，改变远程测量周期、测量频次以及延续时间等，并对断电的仪器实行远程控制自动接入电源重新开始工作。

四、双轨雷达在线测流系统率定分析

（一）率定期间水文情势

本次率定分析资料的时间段为 2023 年 4 月 29 日～2024 年 10 月 30 日，水位变幅在 610.06m-610.88m 之间，流量变幅为 2.3m³/s～448m³/s，涵盖了低、中、高水位情况，能够反映长坪水文站不同时期的水文特征。

（二）率定关系及误差分析

长坪水文站采用缆道流速仪与双轨移动雷达在线测流系统进行率定分析，以雷达施测的在线流量与缆道流速仪所测实测流量建立相关关系。本次率定分析建立的相关公式为 y = 0.8214x + 0.6987，R² = 0.9814，说明在线流量与实测流量具有良好的相关性。但由于目前使用的数据只有 34 个，数据量较少，可能对率定结果的准确性产生一定影响。

（三）关系曲线检验

对 Q 代表～Q 实测关系线进行三线检验分析，定线精度指标参照《水文资料整编规范》（SL247-2020）。符号检验结果显示 u=-0.17<1.15，认为合理；适线检验中变化符号次数大于等于 0.5*（n-1），免做适线检验；偏离数值检验结果显示│t│=0.02<1.3，认为合理。虽然三种检验结果均接受原假设，认为定线正确，但长坪为三类精度站，其定线不确定度需在 12% 以下，本次定线不确定度 25.84%＞12%，不满足定线要求。

（四）水位流量关系线分析

通过选取 2023 年 4 月 29 日～2024 年 10 月 30 日期间缆道流速仪测到的流量与移动双轨雷达测到的流量分别在同期间水位下的水位流量关系进行分析，发现两套设备在同水位下的流量相差不大，水位流量关系线走势基本相吻合，证明移动双轨雷达测到的流量数据符合该河道的实际情况。

（五）代表流量推流成果合理性分析

长坪水文站双轨移动雷达测到流量记录与实测流量在同水位情况下实行分析，结果显示在同水位情况下，双轨雷达测到线上流量与实测流量更迭一致，并且流量值基本相同，证明双轨移动雷达测到记录能反应该站真实流量更迭，推流成果具有合理性。

（六） 代表流量推流成果合理性分析

如下图所示，长坪水文站双轨移动雷达测到的流量数据与实测的流量在同水位的情况下进行分析，分析时间为2023年4月29日～2024年10月30日。由图可以明显看出在同水位的情况下，双轨雷达测到的线上流量与实测的流量变化一致，并且流量的值基本相同，证明双轨移动雷达测到的数据能反应该站真实的流量变化。

七、双轨移动雷达测流系统在长坪水文站应用的建议

双轨雷达测流系统测量为水体表面流速，在大风大雨以及水面漂浮物较多外界条件下，容易导致雷达测量回波信号紊乱，在涨水后，由于断面冲淤变化大，如果在涨水后未能进行断面测量，及时更新断面情况，均会影响测量代表流速、代表流量稳定性，在实行记录计算、后处理时，要区分此类记录并实行判定、后处理，保证整体记录稳定性、精确性。为确保数据的准确可靠，让双轨缆道雷达波真正解放我们的双手，我们可以通过工程措施进行断面整治，保证断面的稳定性，降低断面比降，确保流速稳定；通过视频监控等远程观测断面漂浮物的情况，把握合理的远程测流时机；根据高、中、低水位布设合理的测量垂线；可以指定专人负责管理，不定期检查在线返回记录、到现场实行波束检查，判断仪器是否运行良好；同时对在线水位、流量实行不定期校验，根据水文情势布置测次，并将每次测得流量、在线流量对比，检查在线流量偏离层次，并分析误差偏离原因。当双轨雷达测流系统出现故障不能正常运行时，制定完善应急方案，如在仪器故障须要返厂、维修时段较长时，及时申请借用同一型号备用仪器实行应急监测；在高、中水时期，采用缆道流速仪或者走航 ADCP 实行测流，控制流量过程更迭；在低水时期，采用流速仪或缆道测流增强流量测验，控制流量过程更迭，确保水文监测连续性。

结束语：总的来说，双轨移动雷达测流系统在长坪水文站的应用具有很大的优势和适应性，但也存在一些问题需要解决。通过进一步的研究和改进，该系统有望在山区河道的水文测验中发挥更大的作用，为山区河道的防汛抗旱、水资源管理等提供更准确、及时的水文数据支持。未来，面对站多人少的情况，可进一步扩大该系统的应用范围，开展更多的对比试验和数据分析，不断完善其性能和功能，推动远程非接触式测流技术在水文领域的发展。

参考文献：

[1]刘明，勾晶晶，张峻豪. 双轨移动雷达波测流系统在金安桥水文站的应用研究 [J]. 中国水运， 2024， 24 （22）： 98-99+102.

[2]左念，徐典，范亮. 双轨循环式雷达波在线测流系统设计 [J]. 人民长江， 2024， 55 （S1）： 46-49.

[3]赵勋攀，徐翔. 双轨全自动雷达波在线测流系统应用研究 [J]. 四川水利， 2023， 44 （03）： 99-103.