雷达波在线流量监测系统应用与校测

李禄德

云南省水文水资源局文山分局 云南 文山 663000

摘 要 雷达波在线测流系统通过测量水面流速与雷达波实测水位计算的断面面积相乘得断面虚流量，再乘以水面流速系数获得断面流量。误差来源有流速系数和断面面积两个方面，是雷达波在线测流系统应用推广的要点及难点。

关键词 雷达波在线测流 校测 应用与推广

流量是防汛抗旱、水利工程规划设计、最严格水资源管理、水利工程运行管理的重要水文要素，是水文测验主要测验项目之一。传统的流量测验方法多采用流速仪法，在河道断面上布设多条测流垂线，每条垂线上布设一个或多个测速点，不仅需要大量的人力，同时测流历时比较长。为实现水文监测自动化，提供更加准确快捷的水文信息数据。近年来，云南省在基本水文站、中小河流水文站、州市界河水文站及专用水文站中，已逐步进行了流量在线监测的试点试验和推广应用；文山州国控生态流量监控断面实现全覆盖，均采用雷达波在线流量监测系统。充分运用现代监测技术、数字技术、网络技术、人工智能，赋能传统水文转型升级，着力加快自动监测，是实现水文现化前进方向。本文通过两个常规水文流量测验的校测雷达波在线测流系统的实例，分析雷达波在线流量监测系统应用的优缺点，推广的要点、难点。

1.项目来源

为监控建设项目取水口生态流量泄放情况，云南文山电力股份有限公司发电分公司落水洞发电厂、官寨发电厂取水坝安置了生态流量下泄情况实时监控系统，为了解实时监控系统的可靠性，云南文山电力股份有限公司发电分公司委托云南省水文水资源局文山分局开展落水洞发电厂、官寨发电厂取水坝生态流量泄放值校核测量工作。

2.项目概况

2.1落水洞发电厂

落水洞发电厂工程位于文山州西畴县盘龙河干流下游段，取水口地理坐标东经104°31′24″，北纬23°06′38″。落水洞电站装机20MW，总投资8600万元，环保投资308.2万元（包括水保），占总投资比例的3.6% ，电站2002年3月开工，2004年4月投入运行。落水洞发电厂取水方式为闸坝取水，在盘龙河干流上建混凝土重力坝并设翻板闸控制多余水量，枯季水量少时由导流洞附近的平板闸维持生态流量下泄。

2.2官寨发电厂

官寨发电厂工程位于文山州丘北县官寨乡，发电厂取水口位于歹马河官寨街下游河段，地理坐标东经104°02′44″，北纬24°18′00″，为滚水坝截流渠道引水，生态流量下泄由渠道边的平板闸控制。

3.测验方案确定及校测成果

3.1落水洞发电厂流量校测

落水洞发电厂生态流量下泄采用平板闸控制，下泄后流经一段约100m的溢洪道挑流进入主河道。现状盘龙河经落水洞取水口后仍有较多余水以滚水流态通过翻板闸，下泄的生态流量从平板闸下通过后，起始段为射流状态进入矩形溢洪道此段比降较大，经过一段约10m的湾道后进入一段约30m的平缓段，然后进入扩散段后挑流呈瀑布状汇入主河道。

水流在溢洪道内表现为宽浅式矩形过水断面，首先测验方案为涉水或水文测桥流速仪法。由于溢洪道宽4m，高8m。涉水需要从下游扩散段进入溢洪道并向上游行走约40m，在稳定流态段无爬梯，测桥面距水面高差大于8m。涉水或水文测桥流速仪法施测风险极大，无法保障测验人员人身安全和仪器设备安全。

稳定流态段总长约30m，现场观察水流左右两岸、中泓部分流速基本均匀。依据《河流流量测验规范》（GB 50179-2015），采用中泓浮标法施测，中断面测量采用测深杆施测水深。分别在两个不同闸门开度下施测两次流量。成果分别见表3.1和表3.2。

3.2官寨发电厂流量校测

官寨发电厂生态流量下泄采用平板闸控制，下泄后流经一段仅约5m的溢洪道以淹没出流进入主河道。目前歹马河在官寨发电厂取水后仍有较多余水以滚水流态通过滚水坝，下泄的生态流量从平板闸下通过后起始段为射流状态进入5m矩形溢洪道，水流湍急，以淹没入流进入主河道（设计为消力池）。

下泄生态流量在溢洪道流程为5m，宽2m，高0.5m，达不到浮标法施测流量的要求，本断面流量施测采用简易水文测桥涉水流速仪法施测，测深杆直量水深，LJ20A型流速仪测速，人工记数，人工计时。实测流量成果表见表3.3、3.4。

表3.1 落水洞发电厂1#实测流量成果表

表3.2 落水洞发电厂2#实测流量成果表

表3.3 官寨发电厂1#实测流量成果表

表3.4 官寨发电厂1#实测流量成果表

4.校测成果

实测流量成果列表，见表4.1。

表4.1 校测流量成果表

序号	站名	测验方法	实测流量（m3/s）	监控值（m3/s）	允许最小下泄值（m3/s）
1	落水洞	中泓浮标法	6.93	6.86	4.80
2	落水洞	中泓浮标法	4.81	4.76	4.80
3	官寨	水文测桥流速仪法	1.93	0.476	0.48
4	官寨	水文测桥流速仪法	1.94	0.476	0.48
备注

5.校测成果合理性分析

5.1落水洞发电厂

落水洞发电厂测验河段顺直长度30m，计算断面上下游各10m，达到浮标法流量测验河段长的要求（水面宽的3~5倍），水流在三面光的矩形渠道中流动，无死水斜流，临界于均匀流态。采用中泓浮标法测流，符合《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）。

经与“国控”设备雷达波比对，浮标法的断面平均流速偏小，水深偏大。浮标法施测流量值与在线雷达波测流系统偏离值在±5%以内。在落水洞发电厂生态流量泄放口共施测两次（不同的闸门开度），第二次流量值为4.81m³/s，符合生态流量泄放指标。

5.2官寨发电厂

官寨发电厂测验河段顺直长度5m，与闸门相距较近，生态流量泄放后水流流态为射流状，测验河段纵比降大于5%。因此采用水文测桥全断面流速仪法施测流量。本次施测流速仪型号为LJ20A，南自所防汛设备厂生产，2021年1月26日检。

施测流量共布设5条测速垂线，采用一点法（0.6），所施测最大流速6.32m/s，在流速仪使用范围内。两次实测流量分别为1.94m³/s和1.93m³/s，相对误差±0.52%。流量测验符合《河流流量测验规范》（GB 50179-2015），实测流量成果合理可靠。

在施测流量时闸门开度下，在线监控的采集值仅为0.476m³/s。

5.3 实测流量成果合理检查

项目实施按《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）执行，测验方法合理，实测数据真实反映经过监控断面的流量，实测值均大于生态流量允许最小限定值。现场观察到电站取水后仍有大量余水通过翻板闸或滚水坝向下游排放。本次校核值仅代表当前来水量和坝上水位及当前发电取水量条件下闸门开启值时的流量值。

6.雷达波在线测流系统的应用

利用雷达波在线测流系统，可以测获水位和水面流速。对于规整或河底硬化无冲淤变化的断面，水位~面积关系为单一线。那么雷达波在线测流系统的流量计算公式：

………….（6-1）

式中Q_水面—水面虚流量（m³/s），V_水面—雷达水面流速（m/s），S—过水断面面积（m²）

V_水面由雷达波采集：水面流速计算公式为：

………..（6-2）

式中：V_水面——水面流速（m/s）；

——反射信号和发射信号的频率差（HZ）；

β——发射波与水流方向的夹角，俯角和方位角的合成；

f₀——雷达波发射频率（HZ）；

C——电磁波在空气中的传播速度（3×10⁸m/s）。

现雷达波测流系统技术比较成熟，通过与浮标法测获的水面流速对比，误差很小。

雷达波测流系统测获的流速为水面流速，与断面平均流速有系数，该系数与过水断面的水力要素相关，反映断面规整情况，水流流态状况。

对于三面光的过水断面，采用单点式雷达波在线测流系统测流，可以实时施测过水断面流量，实用性强，应大力推广。而对于天然河道，可采用断面改造，河底硬化的手段实现断面无冲淤变化。测流点的流速代表性需要进行测速垂线精减和利用以历史资料分析水面流速与垂线平均流速系数。

2018年以来，云南省水文水资源局文山分局在德厚水文站、麻栗坡水文站、富宁水文站建设了移动式双轨雷达波在线测流系统；2021年在龙潭寨水文站建设了定固式多点雷达波在线测流系统，现正在累积同期常规水文监测资料进行比测率定。从比测的情况看，误差来源主要是断面数据未能适时更新。

7.雷达波在线测流系统与常规水文流量监测的对比分析

常规水文流量测验需在河道和过水断面上架设水文缆道或水文测桥，按流速在横断面的变化情况布设测速垂线，采用相对水深0.6位置施测垂线流速，根据实测水深计算断面面积，测速垂线间的平均流速与部分面积相乘得部分面积。累计部分流量之和得断面流量。常规水文测验通过建立水位~流量关系即临时曲线法实现时间~水位、流量时序变化过程。现仍为水文测站基本的测验工作，其现实意义在于按水位变化实测断面和流速数据，控制了断面冲淤变化过程和在测验断面附近水力要素（水面比降、湿周、糙率）条件下的时序过程。

雷达波在线流量监测系统通过探头实时施测过水断面的水位和水面流速，植入水面流速系数（分析值、经验值）和断面数据计算断面面积，自动测获时间~水位、流量过程。

由于现今自动水文缆道研发和推广还难以实现无人值守，常规水文测验基础设施建设、设备设施投入大，测验过程需人工操作，运行和维护仍需持续投入。

雷达波在线流量监测系统的建设基础设施相对简洁，可利用现有跨河水文缆道设一点或多点监控探头。后期的运行与维护可实现无人值守，专人关注。

8.应用与推广

雷达波在线测流系统是实现水文现代化的一个方案。具有建设方案简洁，后期运行与维护经费少等优点。在推广与应用中应注意天然河道的断面数据实时更新，率定水面流速系数。

参考文献

1. 住房和城乡建设部等编.河流流量测验规范（GB50179-2015）.北京：中国计划出版社，2015

2. 云南省水文水资源局文山分局水文监测科.德厚、龙潭寨雷达波在线流量监测系统比测率定报告.2021

3. 天宇水利.雷达波在线测流系统使用说明书.北京.2019