朱穎潔

（梧州水文中心，廣西 梧州 543002）

0 引言

梧州水文站集水面積327 006 km2，占西江流域集水面積的94.6%，控制了廣西境內(nèi)85%的來(lái)水。流量監(jiān)測(cè)常用方法為水文測(cè)船牽引走航式ADCP和流速儀動(dòng)船法，備用方法為比降面積法和浮標(biāo)法。為了解決高洪以上水位級(jí)流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)難題，2019年7月底在梧州水文站安裝側(cè)掃雷達(dá)開(kāi)展比測(cè)試驗(yàn)。側(cè)掃雷達(dá)測(cè)驗(yàn)斷面上游約2000 m 是干流潯江與支流桂江交匯處，下游180 m為云龍大橋，當(dāng)以干流潯江來(lái)水為主時(shí)，中泓居右，以支流桂江來(lái)水為主時(shí)中泓居左。受上游約15 km的長(zhǎng)洲水利樞紐工程的調(diào)蓄、發(fā)電、泄洪等影響，中低水的水位陡漲陡落、流量急劇變化。測(cè)驗(yàn)河段順直，無(wú)分流串溝，河岸無(wú)崩塌現(xiàn)象；河床由砂礫石、細(xì)沙組成，偶有沖淤，左右岸為土坡，均較穩(wěn)定，斷面右側(cè)為巖質(zhì)深潭，最深處河底高程約-27 m，左側(cè)為沙質(zhì)河床，略有沖淤，水面寬在510～660 m之間（如圖1）。

梧州水文站河段水流形態(tài)復(fù)雜，目前實(shí)現(xiàn)高洪以上水位級(jí)流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)仍是一大難題。在梧州水文站研究基于側(cè)掃雷達(dá)的在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，分析側(cè)掃雷達(dá)流量測(cè)驗(yàn)的適用性，開(kāi)展側(cè)掃雷達(dá)獲取的河流表面流速比測(cè)分析工作，可為梧州水文站實(shí)現(xiàn)各水位級(jí)流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)，對(duì)側(cè)掃雷達(dá)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

圖1 梧州站側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流斷面圖

1 側(cè)掃雷達(dá)

1.1 側(cè)掃雷達(dá)功能

側(cè)掃雷達(dá)采用非接觸式雷達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)河流表面流場(chǎng)、網(wǎng)格點(diǎn)流速進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)，通過(guò)水位、過(guò)流面積、斷面表面流速比的數(shù)據(jù)交互，完成流量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合成，實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)自動(dòng)河流流量監(jiān)測(cè)。

產(chǎn)品主要包括2個(gè)部分：天線(xiàn)系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)。主要組件包括2 個(gè)發(fā)射天線(xiàn)、6 個(gè)接收天線(xiàn)、1 個(gè)主機(jī)箱、8 根饋線(xiàn)電纜、1 個(gè)支撐架、1 根電源線(xiàn)及 1 根數(shù)據(jù)接口線(xiàn)組成。

1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

（1）技術(shù)指標(biāo)：①探測(cè)河面寬度：15～1000 m；②測(cè)速范圍：0.025～20 m/s；③測(cè)速誤差（均方根誤差）：≤0.01 m/s；速度分辨力：≤0.01 m/s。

（2）環(huán)境適應(yīng)性：①工作溫度：室外-40～50℃；②儲(chǔ)存溫度：-50～60℃；③海拔高度：≤5000 m。

（3）天線(xiàn)位置：①水平方向：距水面20 m以?xún)?nèi)；②垂直方向：高出水面5～15 m；③朝向河面視角：大于±45°。

（4）環(huán)境要求：①河寬：最小30 m，最大250～1000 m；② 流速：0.025～20 m/s；③ 水深：最小15 cm；④水波紋高度：最小2～3 cm。

1.3 測(cè)流原理

側(cè)掃雷達(dá)兼容脈沖多普勒體制及調(diào)頻連續(xù)體制，天線(xiàn)共址，收發(fā)分開(kāi)。信號(hào)部分采用直接射頻采樣、數(shù)字正交相參混頻、FIR 數(shù)字濾波和抽取、DDS 頻率合成、多普勒處理、高精度定向算法等技術(shù)措施；雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸采用以太網(wǎng)通信技術(shù)或其他通信方式完成。

側(cè)掃雷達(dá)工作時(shí)，河水對(duì)微波的回波信號(hào)主要是布拉格散射。接近和后退波的能量可以分離開(kāi)，獨(dú)立進(jìn)行處理，接近和后退能量區(qū)域重疊接近零的多普勒頻移的小部分。采用頻率帶寬為30 MHz 的調(diào)頻連續(xù)波波形，可達(dá)到5 m 的距離分辨率。對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)延遲-多普勒處理。同時(shí)利用6 個(gè)八木天線(xiàn)信號(hào)的幅度和相位響應(yīng)，采用多重信號(hào)超分辨處理算法確定回波位置。測(cè)向算法獨(dú)立用于每個(gè)頻率和延遲距離門(mén)上，角分辨率為1°。原始數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波以剔除異常值。多重信號(hào)超分辨處理算法將觀測(cè)空間分解為正交的信號(hào)子空間和噪聲子空間。信號(hào)子空間由6個(gè)八木天線(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣中與信號(hào)對(duì)應(yīng)的特征向量組成，噪聲子空間則由協(xié)方差矩陣中所有最小特征值（噪聲方差）對(duì)應(yīng)的特征向量組成。算法利用這兩個(gè)互補(bǔ)空間之間的正交特性來(lái)估計(jì)空間信號(hào)的方位。噪聲子空間的所有向量被用來(lái)構(gòu)造譜，所有空間方位譜中的峰值位置對(duì)應(yīng)信號(hào)的來(lái)波方位。增強(qiáng)型超分辨處理算法提高了測(cè)向分辨率，適應(yīng)于任意形狀的天線(xiàn)陣列。

2 分析方法

（1）表面流速比測(cè)。由于梧州水文站未設(shè)有纜道測(cè)流設(shè)施，無(wú)法進(jìn)行纜道流速儀水面一點(diǎn)法與側(cè)掃雷達(dá)表面流速比測(cè)，測(cè)船流速儀法受航運(yùn)影響存在困難，因此擬采用走航式ADCP 表層流速替代轉(zhuǎn)子流速儀水面一點(diǎn)法。為了驗(yàn)證走航式ADCP表層流速與側(cè)掃雷達(dá)表面流速比測(cè)的可行性，首先進(jìn)行走航式ADCP表層流速和纜道流速儀水面一點(diǎn)法流速比測(cè)，選擇在其他纜道站進(jìn)行。為使走航式ADCP 表層流速盡可能接近于水面流速，采用三體船搭載盲區(qū)較小的M9 型ADCP，在側(cè)掃雷達(dá)斷面低、中、高水位級(jí)各進(jìn)行1次流量測(cè)驗(yàn)，每次施測(cè)3個(gè)測(cè)回，分別提取6個(gè)測(cè)次的表層流速，與側(cè)掃雷達(dá)流速疊加到橫斷面流速分布圖進(jìn)行對(duì)比。

（2）流速關(guān)系率定分析。采用走航式ADCP 施測(cè)不少于30份流量，在高、中、低不同水位（或流量）級(jí)均勻分布測(cè)次，利用實(shí)測(cè)流量計(jì)算側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流斷面的平均流速，與側(cè)掃雷達(dá)獲取的河流表面流速計(jì)算的指標(biāo)流速建立相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度計(jì)算和關(guān)系曲線(xiàn)檢驗(yàn)；對(duì)不同流速關(guān)系率定模型推算流量與整編流量進(jìn)行相關(guān)特征值綜合對(duì)比分析，進(jìn)一步論證側(cè)掃雷達(dá)流量測(cè)驗(yàn)成果的合理性。

3 表面流速比測(cè)

梧州水文站在2019年9月4日進(jìn)行了側(cè)掃雷達(dá)表面流速和M9 型走航式ADCP 表層流速的比測(cè)工作。比測(cè)期間水位變化為8.11～8.22 m，屬于中水位，比測(cè)的M9 表層流速實(shí)測(cè)最大為1.90 m/s，最小為0.026 m/s，雷達(dá)表面流速實(shí)測(cè)最大為2.64 m/s，最小為0.010 m/s。比測(cè)結(jié)果（見(jiàn)表1）表明側(cè)掃雷達(dá)二階平滑表面流速與M9 型走航式ADCP 平均表層流速的相對(duì)誤差小于5%為13 條，在24 條垂線(xiàn)中占54.2%；相對(duì)誤差小于10%為17 條，在24 條垂線(xiàn)中占70.8%；中水中泓位置側(cè)掃雷達(dá)表層流速與走航式ADCP 表面流速橫向分布基本一致，側(cè)掃雷達(dá)表面流速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。

表1 側(cè)掃雷達(dá)表面流速與M9型走航式ADCP表層流速比測(cè)成果

4 側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速關(guān)系率定

4.1 率定期間水文情勢(shì)

梧州水文站從8月2日開(kāi)始側(cè)掃雷達(dá)表面流速和走航式ADCP 平均流速的比測(cè)工作，8月2日～10月14日水位在10.86～2.61 m間變化，共收集到39份比測(cè)資料，低水位（＜6.5 m）15 份、中水位（6.5～16.5 m）24 份。比測(cè)期間比測(cè)資料的最高水位10.79 m，最低水位2.93 m，水位變幅7.86 m，占梧州水文站歷年實(shí)測(cè)最大水位變幅（最高水位27.80 m，最低水位1.38 m）的29.8%；比測(cè)的實(shí)測(cè)最大流量為13 500 m3/s，最小為2250 m3/s；比測(cè)的實(shí)測(cè)最大斷面平均流速為1.19 m/s，最小為0.33 m/s。

4.2 指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系率定分析

實(shí)測(cè)斷面平均流速采用走航式瑞智ADCP兩個(gè)測(cè)回4 個(gè)測(cè)次的流量平均值除以測(cè)時(shí)大斷面面積，走航式ADCP 的流量測(cè)驗(yàn)嚴(yán)格按照《聲學(xué)多普勒流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（SL337-2006）及其它相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。對(duì)側(cè)掃雷達(dá)表面流速計(jì)算的指標(biāo)流速和走航式ADCP實(shí)測(cè)平均流速分別建立相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)行比測(cè)精度分析（見(jiàn)表2）。

表2 計(jì)算斷面平均流速與實(shí)測(cè)斷面平均流速關(guān)系模型分析統(tǒng)計(jì)表

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[1]以水位和指標(biāo)流速為輸入，斷面平均流速為輸出，經(jīng)試算，隱含層層數(shù)取1，建立（2，p，1）BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中神經(jīng)元數(shù)目p取8，隱層的神經(jīng)元采用tansig 傳遞函數(shù)，輸出層的神經(jīng)元采用線(xiàn)性傳遞函數(shù)，訓(xùn)練函數(shù)選用traingdm，學(xué)習(xí)率取0.1，動(dòng)量項(xiàng)取0.9，目標(biāo)取0.00 001，最大訓(xùn)練次數(shù)取500 000。從表2可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的相關(guān)系數(shù)0.99 110 和二元線(xiàn)性模型的相關(guān)系數(shù)0.98 965最接近1，相關(guān)性最好；二元線(xiàn)性模型誤差≤±8%的合格率為71.8%，誤差≤±11%的合格率為74.4%；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型誤差≤±8%的合格率為71.8%，誤差≤±11%的合格率為74.4%；綜上所述采用二元線(xiàn)性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別建立流速關(guān)系模型。

梧州水文站為流量一類(lèi)精度站，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）表3.3.2-1 規(guī)定，一類(lèi)精度的水文站采用單一曲線(xiàn)法定線(xiàn)時(shí)定線(xiàn)精度指標(biāo)為：系統(tǒng)誤差±1%，不確定度8%；由于側(cè)掃雷達(dá)測(cè)量表層流速方法相似水面浮標(biāo)法測(cè)流，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）3.3.2規(guī)定采用水面浮標(biāo)法測(cè)流定線(xiàn)隨機(jī)不確定度可增大2%～4%；最后確定梧州水文站測(cè)流定線(xiàn)隨機(jī)不確定度為10%～12%。

從流速關(guān)系模型檢驗(yàn)計(jì)算表（見(jiàn)表3）可知，二元線(xiàn)性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型適線(xiàn)檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)均合格，系統(tǒng)誤差<1%，隨機(jī)不確定度<12%，側(cè)掃雷達(dá)流量測(cè)驗(yàn)精度符合規(guī)范要求。

表3 流速關(guān)系模型檢驗(yàn)計(jì)算表

4.3 流量對(duì)比分析

4.3.1 流量過(guò)程線(xiàn)合理性分析

分別采用二元線(xiàn)性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流速關(guān)系模型推算流量與整編流量進(jìn)行對(duì)比分析。推算流量與整編流量對(duì)比圖見(jiàn)圖2。

圖2 推算流量與整編流量對(duì)比圖

從圖2 可以看出，采用二元線(xiàn)性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算出的流量大部分時(shí)間落在整編流量±5%范圍內(nèi)，說(shuō)明基于二元線(xiàn)性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推算出的側(cè)掃雷達(dá)流量是合理的。

4.3.2 流量對(duì)照分析

8月、9月份日平均流量對(duì)比分析合格率見(jiàn)表4，特征流量對(duì)照表見(jiàn)表5。

表4 8、9月份日平均流量對(duì)比分析合格率統(tǒng)計(jì)表

由表4 可知，二元線(xiàn)性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算的8月、9月份日平均流量誤差≤±11%的合格率為100%，推算的側(cè)掃雷達(dá)日流量與整編值基本一致。

表5 8、9月份特征流量對(duì)照表

由表5 可知，二元線(xiàn)性模型推算8月平均流量與整編值相差1.5%，8月最大流量相差0.7%，8月最小流量相差-2.4%，9月平均流量相差0.8%，9月最大流量相差5.0%，9月最小流量相差4.6%，二元線(xiàn)性模型推算的特征流量與整編值基本相近，滿(mǎn)足推流定線(xiàn)要求；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推算8月平均流量與整編值相差1.7%，8月最大流量相差-0.7%，8月最小流量相差-4.5%，9月平均流量相差1.8%，9月最大流量相差-0.5%，9月最小流量相差-2.9%，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推算的特征流量與整編值基本相近，滿(mǎn)足推流定線(xiàn)要求。

4.4 模型檢驗(yàn)

對(duì)流速關(guān)系模型建立后16 d（10月15～30日）的流量進(jìn)行分析，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)用效果。10月15～30日日平均流量對(duì)比分析合格率統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表6，特征流量對(duì)照表見(jiàn)表7。

表6 10月15～30日日平均流量對(duì)比分析合格率統(tǒng)計(jì)表

由表6可知，二元線(xiàn)性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推算10月15～30日日平均流量誤差≤±8%的合格率為93.8%，誤差≤±11%的合格率為93.8%；推算的側(cè)掃雷達(dá)日流量與整編值基本一致，模型應(yīng)用效果較好。

表7 10月15～30日特征流量對(duì)照表

由表7可知，二元線(xiàn)性模型推算10月15～30日日平均流量與整編值相差3.7%，最大流量相差0.3%，最小流量相差12.5%；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推算10月15～30日日平均流量與整編值相差5.6%，最大流量相差10.9%，最小流量相差-4.7%；說(shuō)明側(cè)掃雷達(dá)推算特征流量與整編值基本一致，側(cè)掃雷達(dá)推算的流量滿(mǎn)足推流定線(xiàn)要求；水位在2.93～10.79 m，流速在0.33～1.19 m/s 時(shí)側(cè)掃雷達(dá)在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在梧州水文站河段應(yīng)用。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)分析側(cè)掃雷達(dá)表面流速的準(zhǔn)確性、斷面平均流速與側(cè)掃雷達(dá)表面流速率定分析來(lái)研究側(cè)掃雷達(dá)在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在西江黃金水道梧州水文站河段的適用性。主要結(jié)論及建議如下：

（1）中水時(shí)梧州水文站側(cè)掃雷達(dá)表層流速與走航式ADCP 表面流速在中泓位置橫向分布基本一致，側(cè)掃雷達(dá)表面流速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。

（2）根據(jù)已收集的水位 2.93～10.79 m、流速0.33～1.19 m/s 比測(cè)資料分析，二元線(xiàn)性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流速關(guān)系模型適線(xiàn)檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)均合格，系統(tǒng)誤差<1%，隨機(jī)不確定度<12%，側(cè)掃雷達(dá)流量測(cè)驗(yàn)精度符合規(guī)范要求；基于二元線(xiàn)性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推算出的側(cè)掃雷達(dá)流量是合理的，推算的日流量、特征流量與整編值基本一致，且滿(mǎn)足推流定線(xiàn)要求，側(cè)掃雷達(dá)在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在西江黃金水道梧州水文站河段應(yīng)用，在超出模型應(yīng)用范圍時(shí)，需要補(bǔ)充比測(cè)資料并重新分析。

（3）存在問(wèn)題：①梧州站所在河段為西江黃金水道，經(jīng)過(guò)測(cè)流斷面的船只眾多，船只停泊在測(cè)流斷面附近和船只往來(lái)對(duì)側(cè)掃雷達(dá)測(cè)速單元數(shù)據(jù)的置信度有明顯影響，甚至有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)置信度大于0.8 的單元覆蓋水面寬少于實(shí)際水面寬一半的情況；②因?yàn)樗幌陆档仍?，雷達(dá)發(fā)射到接收的時(shí)間變長(zhǎng)，12～13 min 方可完成一次測(cè)驗(yàn)，每10 min 采集一次數(shù)據(jù)，會(huì)出現(xiàn)某些時(shí)段缺數(shù)據(jù)或者鄰近幾條數(shù)據(jù)一樣的情況，如9月4日15：40有數(shù)據(jù)，15：50沒(méi)有數(shù)據(jù)，16：00才有數(shù)據(jù)。

（4）建議動(dòng)態(tài)智能調(diào)整數(shù)據(jù)采集間隔，如果一次測(cè)驗(yàn)沒(méi)有完成可等待完成后再采集數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺漏或者鄰近幾條數(shù)據(jù)一樣的情況。

（5）今后將在梧州水文站進(jìn)一步收集不同水位級(jí)，特別是高水位級(jí)的測(cè)點(diǎn)，繼續(xù)研究側(cè)掃雷達(dá)在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高水位級(jí)的適用性。