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TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统
云南省水文水资源局昆明分局 黄绍德
在科技高速发展的今天，雷达测速在现代广泛运用于各领域，其测速简单方便，雷达波流速仪也逐步走入水文测验中。为弄清雷达波流速仪在水文测验中的精准度及使用的边界条件，针对新配发的TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统，与传统的转子式流速仪进行了比测，对其测流精度进行了分析评价，为其投入生产使用提供依据。
具体比测情况如下：
一、TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统测流基本原理
TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统，采用多普勒效应雷达波定点测速原理，对河道过水断面的测流垂线水面点流速在一定时段内多次测速取平均值后，得各测流垂线水面点流速，再将各垂线水面点流速修正为垂线平均流速，采用流速面积法计算流量。
二、比测情况
（一）比测设备
本次比测采用TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统与传统转子式流速仪LS78型、LS25-3A型流速仪进行比测。比测所用的转子式流速仪为LS78型和LS25－3A型，其中LS78型为今年鉴定，鉴定后使用过3次；LS25－3A型流速仪为2017年鉴定，鉴定后使用次数6次；两台流速仪均在正常使用期限内，能正常使用。在比测期间，LS78型流速仪使用旋浆号为072513，LS25－3A型流速仪使用旋浆号为960499。
（二）比测地点
比测地点选择在黄家庄水文站。黄家庄水文站是珠江流域西江水系巴江的干流控制站，控制集水面积365km2，属国家基本水文站、区域代表站、二类精度站；该站测验断面顺直，断面呈U型，左右岸为浆砌石护岸，上游沿河多处有拦河坝、抽水站，区间多座水库调节，下游约2.2km处有黄家庄大坝控制水位供二台发电机及两条渠道引水，下游约650m处有马料河汇入巴江，测验中受电站闸坝影响频繁，形成回水顶托。
（三）比测时机
比测时机选择了水流流态和水位相对平稳时期，为了验证河水含沙量不同是否会对雷达波流速仪测速带来影响，分别选择了水清沙少时（5月24日）和洪水含沙量大的时机分别比测。同时，选择了不同水位级进行比测。
（四）比测方式
比测时，转子式流速仪挂在悬杆缆道上，雷达波流速仪固定在悬杆缆道支架上，转子式流速仪刚好淹没测水面流速，雷达波流速仪距水面0.4 m～1.0m，两部仪器一上一下同时施测。比测流速在0.2～0.79m/s之间，雷达波流速仪测速范围为0.15～6m/s，比测条件符合仪器使用范围。为保证比测的精度，尽量减小水流脉动对实测流速的影响，转子式流速仪测速历时超过100s，雷达波流速仪测速历时设置到最大值60s。比测时转子流速仪采用测算仪自动计时，雷达波流速自动计时。均采用相同的水面系数并借用大断面成果计算流量。
（五）比测流速范围
本次比测的流速范围均在TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统的测速范围内，即：0.30 m/s～10.0 m/s。
三、比测结果
采用以上比测设备和方式，于2018年5月～6月在黄家庄水文站共进行了51次单点流速比测和6次全断面流量比测，比测结果如下：
（一）单点流速误差
经计算，51次单点流速比测误差详见表1。由表1可见，51次单点流速比测中，转子流速仪实测流速范围为0.33 m/s～0.84m/s，均在两者测速范围内；实测水位范围为1656.96 m～1657.59m，包含了中、低水位级；绝对误差在-0.040 m/s～0.050 m/s之间；相对误差在-10.81%～7.81%；系统误差-0.068%；标准差4.00%，随机不确定度为7.99%。根据《声学多普勒流量测验规范》（SL337—2006）、《河流流量测验规范》（GB50179—2015）之规定，一类精度站系统误差允许在-2%～1%以内、随机不确定度允许在5%～9%以内；由上计算结果可见，TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速与转子式流速仪测速的系统误差-0.068%在限差-2%～1%范围内，其随机不确定度7.99%在限差5%～9%以内，且表1包含了不同水位级的监测结果，表明TEL-10A型铅鱼缆道雷达波单点测速精度满足一类精度站要求。
表1 TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速与转子式流速仪测速误差计算表 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
序号 | 比测时间（年.月.日.） | 测时水位（m） | 流速仪型号 | 流速仪旋浆号 | 流速仪流速(m/s) | 雷达波流速(m/s) | 绝对误差（m/s） | 相对误差(%) | 备注 |
1 | 2018.5.24. | 1656.96 | LS78 | 072513 | 0.340 | 0.340 | 0.000 | 0.00 | 清水 |
2 | 2018.5.24. | 1656.96 | LS78 | 072513 | 0.400 | 0.380 | -0.020 | -5.00 | 清水 |
3 | 2018.5.24. | 1656.96 | LS78 | 072513 | 0.370 | 0.330 | -0.040 | -10.81 | 清水 |
4 | 2018.5.24. | 1656.96 | LS78 | 072513 | 0.340 | 0.310 | -0.030 | -8.82 | 清水 |
5 | 2018.5.24. | 1656.96 | LS78 | 072513 | 0.360 | 0.340 | -0.020 | -5.56 | 清水 |
6 | 2018.5.24. | 1656.96 | LS78 | 072513 | 0.330 | 0.310 | -0.020 | -6.06 | 清水 |
7 | 2018.5.28. | 1657.38 | LS25-3A | 960499 | 0.640 | 0.630 | -0.010 | -1.56 | 浑水 |
8 | 2018.5.28. | 1657.38 | LS25-3A | 960499 | 0.760 | 0.750 | -0.010 | -1.32 | 浑水 |
9 | 2018.5.28. | 1657.38 | LS25-3A | 960499 | 0.700 | 0.680 | -0.020 | -2.86 | 浑水 |
10 | 2018.5.28. | 1657.38 | LS25-3A | 960499 | 0.670 | 0.640 | -0.030 | -4.48 | 浑水 |
11 | 2018.5.28. | 1657.38 | LS25-3A | 960499 | 0.690 | 0.680 | -0.010 | -1.45 | 浑水 |
12 | 2018.5.28. | 1657.38 | LS25-3A | 960499 | 0.640 | 0.600 | -0.040 | -6.25 | 浑水 |
13 | 2018.5.28. | 1657.38 | LS25-3A | 960499 | 0.580 | 0.560 | -0.020 | -3.45 | 浑水 |
14 | 2018.5.28. | 1657.38 | LS25-3A | 960499 | 0.500 | 0.500 | 0.000 | 0.00 | 浑水 |
15 | 2018.5.28. | 1657.38 | LS25-3A | 960499 | 0.440 | 0.460 | 0.020 | 4.55 | 浑水 |
16 | 2018.5.30. | 1657.20 | LS25-3A | 960499 | 0.500 | 0.500 | 0.000 | 0.00 | 浑水 |
17 | 2018.5.30. | 1657.20 | LS25-3A | 960499 | 0.630 | 0.610 | -0.020 | -3.17 | 浑水 |
18 | 2018.5.30. | 1657.20 | LS25-3A | 960499 | 0.580 | 0.580 | 0.000 | 0.00 | 浑水 |
19 | 2018.5.30. | 1657.20 | LS25-3A | 960499 | 0.540 | 0.530 | -0.010 | -1.85 | 浑水 |
20 | 2018.5.30. | 1657.20 | LS25-3A | 960499 | 0.520 | 0.540 | 0.020 | 3.85 | 浑水 |
21 | 2018.5.30. | 1657.20 | LS25-3A | 960499 | 0.480 | 0.490 | 0.010 | 2.08 | 浑水 |
22 | 2018.5.30. | 1657.20 | LS25-3A | 960499 | 0.390 | 0.380 | -0.010 | -2.56 | 浑水 |
23 | 2018.5.30. | 1657.20 | LS25-3A | 960499 | 0.400 | 0.410 | 0.010 | 2.50 | 浑水 |
24 | 2018.5.30. | 1657.20 | LS25-3A | 960499 | 0.390 | 0.420 | 0.030 | 7.69 | 浑水 |
25 | 2018.6.9. | 1657.59 | LS25-3A | 960499 | 0.700 | 0.700 | 0.000 | 0.00 | 浑水 |
26 | 2018.6.9. | 1657.59 | LS25-3A | 960499 | 0.790 | 0.810 | 0.020 | 2.53 | 浑水 |
27 | 2018.6.9. | 1657.59 | LS25-3A | 960499 | 0.770 | 0.780 | 0.010 | 1.30 | 浑水 |
28 | 2018.6.9. | 1657.59 | LS25-3A | 960499 | 0.640 | 0.690 | 0.050 | 7.81 | 浑水 |
29 | 2018.6.9. | 1657.59 | LS25-3A | 960499 | 0.640 | 0.660 | 0.020 | 3.13 | 浑水 |
30 | 2018.6.9. | 1657.59 | LS25-3A | 960499 | 0.620 | 0.640 | 0.020 | 3.23 | 浑水 |
31 | 2018.6.9. | 1657.59 | LS25-3A | 960499 | 0.550 | 0.570 | 0.020 | 3.64 | 浑水 |
32 | 2018.6.9. | 1657.59 | LS25-3A | 960499 | 0.530 | 0.560 | 0.030 | 5.66 | 浑水 |
33 | 2018.6.9. | 1657.59 | LS25-3A | 960499 | 0.500 | 0.530 | 0.030 | 6.00 | 浑水 |
34 | 2018.6.9. | 1657.33 | LS25-3A | 960499 | 0.640 | 0.630 | -0.010 | -1.56 | 浑水 |
35 | 2018.6.9. | 1657.33 | LS25-3A | 960499 | 0.840 | 0.820 | -0.020 | -2.38 | 浑水 |
36 | 2018.6.9. | 1657.33 | LS25-3A | 960499 | 0.720 | 0.730 | 0.010 | 1.39 | 浑水 |
37 | 2018.6.9. | 1657.33 | LS25-3A | 960499 | 0.660 | 0.670 | 0.010 | 1.52 | 浑水 |
38 | 2018.6.9. | 1657.33 | LS25-3A | 960499 | 0.670 | 0.680 | 0.010 | 1.49 | 浑水 |
39 | 2018.6.9. | 1657.33 | LS25-3A | 960499 | 0.590 | 0.620 | 0.030 | 5.08 | 浑水 |
40 | 2018.6.9. | 1657.33 | LS25-3A | 960499 | 0.540 | 0.560 | 0.020 | 3.70 | 浑水 |
41 | 2018.6.9. | 1657.33 | LS25-3A | 960499 | 0.540 | 0.520 | -0.020 | -3.70 | 浑水 |
42 | 2018.6.9. | 1657.33 | LS25-3A | 960499 | 0.530 | 0.550 | 0.020 | 3.77 | 浑水 |
43 | 2018.6.10. | 1657.31 | LS25-3A | 960499 | 0.580 | 0.570 | -0.010 | -1.72 | 浑水 |
44 | 2018.6.10. | 1657.31 | LS25-3A | 960499 | 0.740 | 0.740 | 0.000 | 0.00 | 浑水 |
45 | 2018.6.10. | 1657.31 | LS25-3A | 960499 | 0.650 | 0.660 | 0.010 | 1.54 | 浑水 |
46 | 2018.6.10. | 1657.31 | LS25-3A | 960499 | 0.620 | 0.610 | -0.010 | -1.61 | 浑水 |
47 | 2018.6.10. | 1657.31 | LS25-3A | 960499 | 0.610 | 0.610 | 0.000 | 0.00 | 浑水 |
48 | 2018.6.10. | 1657.31 | LS25-3A | 960499 | 0.580 | 0.570 | -0.010 | -1.72 | 浑水 |
49 | 2018.6.10. | 1657.31 | LS25-3A | 960499 | 0.500 | 0.500 | 0.000 | 0.00 | 浑水 |
50 | 2018.6.10. | 1657.31 | LS25-3A | 960499 | 0.490 | 0.510 | 0.020 | 4.08 | 浑水 |
51 | 2018.6.10. | 1657.31 | LS25-3A | 960499 | 0.480 | 0.470 | -0.010 | -2.08 | 浑水 |
经采用最小二乘法建立铅鱼缆道雷达波测速与流速仪测速相关图，详见图1。由图1可见，两者关系点子呈一带状分布，经过点群重心绘制相关关系线，点线配合较好，线性方程为Y=0.9977X，相关系数高达0.99，表明两者相关性高，且两者直线相关系数为1.00，表明两者监测的流速非常接近。
图1 雷达波与流速仪测速相关图
（二）全断面流量误差
采用全断面9条垂线6次测流结果，比测分析TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统测流精度。比测时，以流速仪实测流量为基准，TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统测流数据与其比较，计算各项精度指标。经计算，全面断面流量误差结果详见表2。由表2可见，雷达波流速仪实测点流速在0.26m/s～ 0.82m/s之间，最小流速接近TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速范围，基本符合使用范围；实测流量在6.83m3/s～19.8m3/s之间，实测水位在1656.96 m～1657.59m之间，包含了中、低水位级；绝对误差在-0.200m3/s～0.300 m3/s之间；相对误差在-1.32%～1.75%之间；系统误差0.029%；标准差1.35%，随机不确定度为2.69%。根据《声学多普勒流量测验规范》（SL337—2006）、《河流流量测验规范》（GB50179—2015）之规定，一类精度站系统误差允许在-2%～1%以内、随机不确定度允许在5%～9%以内；由上计算结果可见，TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测验流量与转子式流速仪测验流量的系统误差0.029%在限差-2%～1%范围内，其随机不确定度2.69%在限差5%～9%以内，且表2包含了不同水位级的监测结果，表明TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统全断面流量测验精度满足一类精度站要求。
表2 雷达波与转子式流速仪全断面流量测验误差计算表 | ||||||||||
序号 | 比测时间（年.月.日.） | 流速仪型号 | 流速仪旋浆号 | 水位（m） | 雷达波测得最小流速（m/s） | 流速仪流量(m3/s) | 雷达波流速仪流量（m3/s） | 绝对误差（m3/s） | 相对误差（%） | 备注 |
1 | 2018.5.24. | LS78 | 072513 | 1656.97 | 0.26 | 6.83 | 6.74 | -0.090 | -1.318 | 清水 |
2 | 2018.5.28. | LS25-3A | 960499 | 1657.39 | 0.46 | 17.4 | 17.5 | 0.100 | 0.575 | 浑水 |
3 | 2018.5.30 | LS25-3A | 960499 | 1657.21 | 0.39 | 12.2 | 12.3 | 0.100 | 0.820 | 浑水 |
4 | 2018.6.9. | LS25-3A | 960499 | 1657.58 | 0.50 | 19.8 | 19.6 | -0.200 | -1.010 | 浑水 |
5 | 2018.6.9. | LS25-3A | 960499 | 1657.35 | 0.53 | 17.1 | 17.4 | 0.300 | 1.754 | 浑水 |
6 | 2018.6.10. | LS25-3A | 960499 | 1657.31 | 0.48 | 15.4 | 15.3 | -0.100 | -0.649 | 浑水 |
四、结论及建议
（一）结论
1、本次比测按照水文行业现行相关规程、规范的要求开展，比测数据真实有效，比测方法合理，精度分析符合技术要求。
2、测点流速在0.30m/s（含）以上时，TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统的点流速比测精度指标符合水文行业现行相关规程、规范的要求，两者流速直线相关系数1.00，结果可供生产使用。
3、测点流速在0.30m/s（含）以上时，TEL-10A型铅鱼缆道雷达波测速系统的断面流量比测精度指标符合水文行业现行相关规程、规范的要求，可供生产使用。
云南省水文水资源局昆明分局黄绍德
2018年9月
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