灌區(qū)低成本雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡錦輝， 周克志， 趙建軍， 裔九芳， 孫 尹

(1.高郵市高郵灌區(qū)管理處， 江蘇 揚(yáng)州 225600； 2.高郵市水利局， 江蘇 揚(yáng)州 225600)

1 概 述

灌區(qū)是由水源、渠道、田地、作物組成的復(fù)雜環(huán)境[1]。用水管理不僅是灌區(qū)管理的核心內(nèi)容之一，更是灌區(qū)實(shí)現(xiàn)“信息化”覆蓋的重點(diǎn)所在。但是在灌區(qū)灌溉系統(tǒng)中，由于各條支渠分布情況復(fù)雜、數(shù)量較多、距離不定、存在個(gè)別偏遠(yuǎn)地點(diǎn)，故而構(gòu)建“信息化”系統(tǒng)十分困難，最大的難點(diǎn)之一便是明渠的流量監(jiān)測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外流量在線監(jiān)測(cè)的方法和手段主要有時(shí)差法、二線坡能法、ADCP、非接觸雷達(dá)波在線測(cè)流法等，各種監(jiān)測(cè)方法都取得了一些成功案例，但這些監(jiān)測(cè)方法均有其應(yīng)用邊界條件，不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境需結(jié)合實(shí)際選擇不同的監(jiān)測(cè)方式。其中，非接觸測(cè)流系統(tǒng)是一種采用雷達(dá)多普勒原理來測(cè)量表面流速，借用大斷面數(shù)據(jù)、同步采集或從已有系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)水位，從而推算出流量的新測(cè)驗(yàn)方式。該類測(cè)流系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：一是非接觸、安全低損、少維護(hù)、無泥沙影響；二是在洪水期高流速條件下也能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)；三是比多普勒聲學(xué)接觸式流速測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)功耗低很多，一般太陽能供電即可滿足測(cè)流需要；此外安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，土建量很少，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定[2]。而且，現(xiàn)階段市場(chǎng)上提供的自動(dòng)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍價(jià)格昂貴，單站成本高達(dá)數(shù)十萬元，達(dá)不到灌區(qū)測(cè)流低成本、廣覆蓋的基本要求，而雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)價(jià)格低廉，性價(jià)比較高。因此本文針對(duì)這一系列問題，提出了一種基于雷達(dá)監(jiān)測(cè)的低成本河道明渠自動(dòng)測(cè)流遙測(cè)站系統(tǒng)，在大幅度降低儀器成本至單個(gè)站點(diǎn)價(jià)格3～5萬元的同時(shí)，還保證了自動(dòng)流量監(jiān)測(cè)的精確度。

2 工作原理

該測(cè)流系統(tǒng)采用了一種新型雷達(dá)二合一設(shè)備，如圖1所示，可同時(shí)測(cè)量流量和水位。其中雷達(dá)測(cè)水位部分，采用雷達(dá)測(cè)距效應(yīng)，用無接觸的方法測(cè)量水面高度。雷達(dá)波以光速發(fā)射并反彈再被接收，其差時(shí)可以通過電子部件測(cè)量并被轉(zhuǎn)換為水位信號(hào)[3]。通過一種特殊的時(shí)間延伸方法可以確保極短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定和精確的測(cè)量。再利用水位遙測(cè)終端，將雷達(dá)信號(hào)采集，傳輸，完成對(duì)水位的測(cè)量。由信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)產(chǎn)生22～26 GHz的載波，經(jīng)三角波線性調(diào)制信號(hào)調(diào)制后的高頻振蕩載波信號(hào)，經(jīng)定向耦合、放大等電路送至天線端進(jìn)行發(fā)射。發(fā)射出去的信號(hào)在遇到障礙物時(shí)返回，形成天饋系統(tǒng)的回波輸入。接收單元電路在通過一系列預(yù)處理后，與發(fā)射系統(tǒng)定向耦合過來的信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)或多級(jí)差拍，差拍后的信號(hào)就包含有目標(biāo)的距離信息。

在不考慮其他因素條件下，測(cè)目標(biāo)距離為R，光速已知，則雷達(dá)接收到的回波信號(hào)在時(shí)間上與本振信號(hào)相比將有t=2R/C的時(shí)間延遲，將回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相干混頻得到的拍頻信號(hào)即為延遲時(shí)間內(nèi)信號(hào)頻率的變化[4]。

(1)

式中：R為目標(biāo)距離；c為光速；Tm為調(diào)制周期；B為頻偏量；fb為平均差頻。

雷達(dá)測(cè)流量部分采用平面微波技術(shù)，用多普勒雷達(dá)原理測(cè)量水流的表面流速，利用內(nèi)置的微帶雷達(dá)技術(shù)測(cè)量水位。依據(jù)流速-面積法，先測(cè)得水位換算出斷面面積，再由表面流速結(jié)合斷面參數(shù)換算出平均流速，通過建立圓形、矩形和梯形等明渠斷面流速分布的經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合水力模型算法來求取流量；是一種非接觸式的，在不改變渠道、河道、管道等邊界條件下準(zhǔn)確測(cè)量流量的測(cè)流儀器[5]。

通過雷達(dá)流速探頭可以獲取并換算平均流速，通過雷達(dá)水位探頭可以獲取并換算水深，斷面流量等于平均流速×水流截面積×岸邊系數(shù)。在灌區(qū)明渠中，常見的灌區(qū)明渠斷面類型有矩形、梯形或者 U 型；常用的坡地為干、支渠縱坡；2種常用的糙率為混凝土渠壁和漿砌石渠壁。對(duì)于這些常見的明渠，其底坡、糙率均是確定的，在斷面的流速分布中，流速具有很強(qiáng)的對(duì)稱性，而且灌區(qū)斷面上、下游順直段較長(zhǎng)，且斷面左右對(duì)稱，流速分布具有對(duì)稱性好的特點(diǎn)。根據(jù)斷面形式、底(縱)坡和糙率對(duì)流速場(chǎng)分布進(jìn)行修正；使用的湍流數(shù)學(xué)模型主要是 RNG(重整化群)к-ε模型，計(jì)算精度高，數(shù)值穩(wěn)定性好，計(jì)算數(shù)據(jù)量適中。

圖1 新型二合一雷達(dá)流量遙測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)架構(gòu)

測(cè)流系統(tǒng)由二合一雷達(dá)流量監(jiān)測(cè)站、無線通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集終端、太陽能供電系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)嵌的智能采集軟件，自動(dòng)采集水位/流速/流量監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)用水流量變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)，各級(jí)監(jiān)控中心(省、市、縣)可通過GIS平臺(tái)綜合監(jiān)控所有流量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水位、流速和流量情況，以達(dá)到取水量監(jiān)控預(yù)警的目的。

圖2 測(cè)流系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 二合一雷達(dá)流量監(jiān)測(cè)站方案

雷達(dá)流量監(jiān)測(cè)站的核心設(shè)備為二合一雷達(dá)流量計(jì)以及智能RTU終端。流量計(jì)包含2個(gè)探頭，一個(gè)用于測(cè)量水體表面流速，另一個(gè)用于測(cè)量水位。智能RTU終端內(nèi)嵌FAMM大斷面測(cè)流模型，可根據(jù)實(shí)際水體環(huán)境，對(duì)內(nèi)嵌參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化率定，提高測(cè)流的精確度，其工作原理如圖3所示。

圖3 二合一雷達(dá)流量計(jì)工作原理

雷達(dá)流量監(jiān)測(cè)站是參照“無人值守、有人看管”的管理模式建設(shè)而成，以智能自動(dòng)測(cè)流RTU終端作為數(shù)據(jù)的采集和傳輸單元，實(shí)現(xiàn)水情信息的自動(dòng)采集和遠(yuǎn)程傳輸，同時(shí)配置通信終端、供電系統(tǒng)、避雷設(shè)備等。監(jiān)測(cè)站所用RTU內(nèi)置有FAMM模型，可通過預(yù)先設(shè)定的斷面參數(shù)，將所測(cè)得的表面流速轉(zhuǎn)化為斷面平均流速。同時(shí)，根據(jù)雷達(dá)流量計(jì)實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，結(jié)合斷面幾何參數(shù)，可自動(dòng)推算出斷面面積，再根據(jù)流速面積法公式，即可求得流量。除此之外，該RTU終端內(nèi)嵌的遙測(cè)協(xié)議具備極強(qiáng)的兼容性，可兼容使用《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約SL651-2014》的水文水資源中心站平臺(tái)，并支持對(duì)其他通訊協(xié)議的擴(kuò)展。

雷達(dá)流量監(jiān)測(cè)站選用的二合一雷達(dá)流量計(jì)是一款基于微波技術(shù)的全自動(dòng)流量計(jì)，它采用先進(jìn)的K波段平面雷達(dá)技術(shù)，通過非接觸的方式測(cè)量水體的流速和水位，根據(jù)內(nèi)置的軟件算法，計(jì)算并輸出實(shí)時(shí)斷面流量及累計(jì)流量；該產(chǎn)品具有功耗低、體積小巧、可靠性高、維護(hù)方便的特點(diǎn)；測(cè)量過程不受溫度、泥沙、河流污染物、水面漂浮物等因素的影響。配合一定的率定手段進(jìn)行校準(zhǔn)，可以達(dá)到更精確的流量測(cè)算。該雷達(dá)流量計(jì)的組成包括：雷達(dá)流速傳感器、雷達(dá)水位傳感器、安裝支架等，既可以通過數(shù)字(485、232)或者模擬(4-20 mA)的方式傳輸測(cè)量結(jié)果；也可以通過無線Lora技術(shù)實(shí)現(xiàn)5 km的數(shù)據(jù)傳輸。具體參數(shù)詳見表1。

4.2 二合一雷達(dá)流量監(jiān)測(cè)站安裝

河道非接觸式流量監(jiān)測(cè)，是在滿足測(cè)流精度要求的情況下，根據(jù)引水河道斷面情況，按照河道寬度，選擇不同的監(jiān)測(cè)方案：10 m以下河道采用單點(diǎn)(桿式)安裝測(cè)流方式，10～20 m河道采用雙點(diǎn)(桿式)安裝測(cè)流方式、20 m以上河道采用陣列(纜道或者橋側(cè))安裝測(cè)流方式，并根據(jù)不同安裝方式配置適當(dāng)?shù)臏y(cè)流設(shè)備。

4.2.1 單點(diǎn)桿式安裝方式

桿式流速儀支架由主鋼管柱、水平鋼管、鋼筋混凝土基礎(chǔ)3個(gè)部分組成。主鋼管柱高5～6 m，選用直徑300～200 mm、壁厚8 mm的熱鍍鋅八棱變徑鋼管，太陽能電池板安裝在柱頂；水平鋼管懸臂長(zhǎng)度為2～6 m，選用直徑250～150 mm、壁厚6 mm的熱鍍鋅八棱變徑鋼管。鋼筋混凝土基礎(chǔ)根據(jù)地質(zhì)情況可采用圖4獨(dú)立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，當(dāng)建設(shè)地點(diǎn)位于河道內(nèi)、較陡斜坡上或地基土較差時(shí)采用樁基礎(chǔ)。

圖4 單點(diǎn)桿式安裝方式

4.2.2 多點(diǎn)陣列式安裝方式

當(dāng)河道寬度大于20 m時(shí)需要布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)候，最好的安裝方式是借助現(xiàn)有的橋側(cè)安裝固定，如果沒有可以利用的橋面，需要采用纜道的安裝方式，由纜道鋼管柱、拉索、鋼柱基礎(chǔ)、地錨基礎(chǔ)四部分組成。纜道鋼管柱高6m，選用直徑300～200 mm、壁厚12 mm的熱鍍鋅八棱變徑鋼管，柱頂固定流速儀拉線和拉錨索；拉線規(guī)格為1×7?11.40鍍鋅鋼絞線，長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。鋼柱基礎(chǔ)、地錨基礎(chǔ)均采用C30獨(dú)立基礎(chǔ)，以天然地基作為基礎(chǔ)持力層，地基承載力特征值不小于120 kPa。圖5為利用橋側(cè)安裝的示意圖。

4.3 供電系統(tǒng)

測(cè)流系統(tǒng)一般采用太陽能供電， 但考慮到長(zhǎng)時(shí)間陰雨天氣的特殊氣候狀況，為保證雷達(dá)流量監(jiān)測(cè)站設(shè)備總成能夠正常工作，測(cè)流系統(tǒng)配備大容量蓄電池，支持太陽能/市電兩種浮充供電方式，該蓄電池可在斷開充電電路后連續(xù)工作1個(gè)月左右。

表1 二合一雷達(dá)流量計(jì)技術(shù)參數(shù)

圖5 多點(diǎn)陣列式安裝方式

圖6 配套軟件截圖

4.4 測(cè)流工具軟件

測(cè)流系統(tǒng)還配套了相關(guān)軟件，通過該軟件可實(shí)現(xiàn)參數(shù)率定的可視化操作，如圖6所示。同時(shí)，針對(duì)不同水體情況，檢測(cè)人員可通過軟件實(shí)時(shí)優(yōu)化模型參數(shù)，提高河渠流量的測(cè)量精確度。該軟件與RTU終端可通過串口連接，實(shí)現(xiàn)河渠流量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、率定及計(jì)算。

5 實(shí)際應(yīng)用

按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB50179-2015)規(guī)定，流速儀比測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)誤差不超過±1%，比測(cè)條件好的相對(duì)偏差不超過±3%，比測(cè)條件差的不超過±5%[6]。同時(shí)，參照《聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)流規(guī)范》，岸邊流速系數(shù)α的取值范圍為0.67～0.75[7]。

為驗(yàn)證測(cè)流系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，本文通過對(duì)同水位比測(cè)試驗(yàn)的16份流量資料列表進(jìn)行計(jì)算，得出了雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差數(shù)據(jù)，詳見表2及圖7。

通過對(duì)比走航式測(cè)流數(shù)據(jù)與雷達(dá)測(cè)流數(shù)據(jù)，可分析兩者的相對(duì)誤差基本控制在12%以下，滿足規(guī)范的技術(shù)要求。

表2 雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用誤差分析

圖7 測(cè)流數(shù)據(jù)對(duì)比圖

6 結(jié) 語

本文所應(yīng)用系統(tǒng)是以二合一雷達(dá)測(cè)流站為核心，結(jié)合灌區(qū)灌溉用水特點(diǎn)，將計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)集成起來，組成一個(gè)完整的灌區(qū)測(cè)流系統(tǒng)。該系統(tǒng)成本低廉、操作便捷、更配有太陽能供電系統(tǒng)，適用于地形復(fù)雜的灌區(qū)情況，可以廣泛推廣，具有極高的使用價(jià)值。