非接觸式雷達(dá)波測流與傳統(tǒng)測流比較分析

解傳奇 張藝 荀武

文章編號：1006-0081（2019）09-0026-03

摘要：崇陽（二）水文站位于湖北省崇陽縣天城鎮(zhèn)，為控制陸水水庫上游水情的二類精度基本水文站，平常多用纜道轉(zhuǎn)子式流速儀法測流。在高水測驗(yàn)過程中，流速儀常被水中漂浮物纏繞，導(dǎo)致施測中斷，影響測流時(shí)效與精度。根據(jù)非接觸式雷達(dá)波流速儀與纜道轉(zhuǎn)子式流速儀測流的實(shí)測資料比較分析，探究非接觸雷達(dá)波測流系統(tǒng)在崇陽（二）水文站的適用性。分析結(jié)果表明：非接觸式雷達(dá)波流速儀與纜道轉(zhuǎn)子式流速儀的比測效果較好，基本能夠滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求;該系統(tǒng)安全系數(shù)高、安裝方便、運(yùn)行穩(wěn)定，可廣泛用于搶測洪峰測驗(yàn)工作中。

關(guān)鍵詞：測流;非接觸式;雷達(dá)波流速儀;纜道轉(zhuǎn)子式流速儀;陸水

中圖法分類號：P333

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.006

1研究背景

崇陽（二）水文站位于陸水水利樞紐上游約34km處，是陸水水庫入庫控制站，上游700m處有一座4級電站。該水文站所控制的測流斷面屬于山溪性河流，水流具有暴漲暴落特性，同時(shí)受上游電站閘門啟閉和陸水水庫頂托影響，水流流態(tài)變化復(fù)雜，水位一流量、流速關(guān)系測點(diǎn)分布散亂。長期以來，為掌握斷面流量變化過程，測流頻繁（年測流100次左右），但仍難以得出其流量變化規(guī)律，該站測流工作存在強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)高等難點(diǎn)。目前，崇陽（二）水文站采用LS25-3A型流速儀進(jìn)行施測，施測垂線5-8條，平均測驗(yàn)時(shí)間約為1h，測驗(yàn)精度和時(shí)效性都受到測驗(yàn)手段的影響。

21世紀(jì)初，各類新技術(shù)和測驗(yàn)設(shè)備開始被廣泛用于水文測驗(yàn)實(shí)踐中，崇陽（二）水文站也根據(jù)河道斷面特性和特點(diǎn)選用適用的設(shè)備開展流量施測。

2非接觸式雷達(dá)波測流系統(tǒng)

2.1雷達(dá)波測流系統(tǒng)組成與特點(diǎn)

在暴漲暴落且漂浮物較多的河段，傳統(tǒng)的流量測驗(yàn)方式是以浮標(biāo)法為主，但是浮標(biāo)測流存在工作效率低、精度差等缺陷，加上對洪水監(jiān)測信息時(shí)效性要求越來越高，選用一種非接觸測流系統(tǒng)進(jìn)行斷面實(shí)時(shí)在線臨測對于該站高洪期的流最監(jiān)測意義重大[1-2]。

根據(jù)測流斷面寬度以及常規(guī)法施測中各垂線布置情況，將一個(gè)或多個(gè)電波流速儀布設(shè)在不同斷面垂線上，配置由數(shù)據(jù)采集控制終端（RTU）、水位傳感器、通信設(shè)備、電源等組成的非接觸在線測流系統(tǒng)。電波流速儀是利用多普勒效應(yīng)原理測量水面測點(diǎn)流速。通過從同定角度和方向向水面發(fā)射微波、接收回波來測量水面點(diǎn)流速，再通過模型算法來推算斷面流量。測量時(shí)流速儀安裝在橋梁或纜道上，不接觸水體，具有不擾動流場、測驗(yàn)歷時(shí)短、測驗(yàn)頻次高、抗泥沙影響等特點(diǎn)，特別適用于高洪測流。此外，該系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。

2.2在線測流系統(tǒng)軟件功能與應(yīng)用

2.2.1系統(tǒng)軟件功能

非接觸雷達(dá)波測流軟件具備以下基本功能：

（1）實(shí)時(shí)顯示水位、流速、流量數(shù)據(jù)及過程線。

（2）計(jì)算、顯示、輸出日、旬、月、年水量報(bào)表及過程線，能在同一個(gè)界面顯示全年水量過程線。

（3）實(shí)時(shí)召測當(dāng)前流速、水位;設(shè)置測流斷面和測流垂線、岸邊系數(shù)等預(yù)置參數(shù)。

（4）設(shè)置流速測量歷時(shí)、水位測量歷時(shí)等采集參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、匯總、打印等。

2.2.2測流軟件操作

（1）軟件安裝后，首先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置，主要參數(shù)包括水文站基本信息、左右岸邊系數(shù)、默認(rèn)大斷面等。

（2）導(dǎo)人大斷面數(shù)據(jù)，并勾選常用測速垂線。

（3）確定電臺連接無誤后，即可點(diǎn)擊開始進(jìn)行測量。測量完畢將輸出流量成果表。關(guān)閉軟件后，前端設(shè)備自動進(jìn)入低功耗狀態(tài)，無須其他操作。

3對比分析

3.1試驗(yàn)方法

采用該站已投入正常運(yùn)行的纜道測流與非接觸流量測驗(yàn)系統(tǒng)同步進(jìn)行流量測驗(yàn)比對。非接觸流量測驗(yàn)系統(tǒng)安裝運(yùn)行后，采集各級水位的流量數(shù)據(jù)。其中，非接觸流量測驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的歷時(shí)時(shí)間，采集垂線表面流速并處理后，再進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得出該垂線平均表面流速。斷面垂線流速采集完畢，根據(jù)起始水位、結(jié)束水位以及大斷面數(shù)據(jù)計(jì)算斷面面積，從而得出斷面虛流量（不準(zhǔn)確的真實(shí)流量），虛流量乘以系數(shù)即得出實(shí)際斷面流量。

3.2成果分析

3.2.1原始數(shù)據(jù)

此次比測試驗(yàn)，采取非接觸流量測驗(yàn)系統(tǒng)與纜道測流在不同水位、不同時(shí)段同步測流流量測驗(yàn)成果作為試驗(yàn)分析資料。

3.2.2數(shù)據(jù)分析方法

由于非接觸測流時(shí)段與流速儀測流時(shí)段并非嚴(yán)格重合，擬采用兩種數(shù)據(jù)分析方法：①對于時(shí)段基本重合部分采用實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析;②對非接觸測流時(shí)間流速儀的測流成果進(jìn)行定線，根據(jù)非接觸測流時(shí)間、水位查線得到真實(shí)流量，并與非接觸測流所得的虛流量進(jìn)行對比分析。

3.2.3實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析

依照非接觸測流成果表時(shí)間，從流速儀測流記錄中抽取相應(yīng)時(shí)段數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)測流量Q1與非接觸測流表中虛流量Q2得出系數(shù)KO=Q1/Q2，進(jìn)行平均后得出平均系數(shù)K1，根據(jù)Q2及K1計(jì)算得出非接觸測流流量Q3=K1/Q2，根據(jù)Q3及流速儀流量Q1計(jì)算誤差。

有效非接觸測流成果共37份，相對應(yīng)流速儀測流有效27份，經(jīng)同歸計(jì)算得出流速系數(shù)為0.7913，R2=0.9737，虛流量乘以該系數(shù)后與流速儀實(shí)測流量比較，相對誤差在10%以內(nèi)的共24份，占有效測流的比例為88.89%，標(biāo)準(zhǔn)差為6.97%（見表1）。

3.2.4查線數(shù)據(jù)對比分析

依非接觸測流成果表時(shí)間，根據(jù)水位記錄表以及流速儀測流記錄進(jìn)行人工定線，之后根據(jù)非接觸測流時(shí)間及水位確定相應(yīng)時(shí)問真實(shí)流量Q1。根據(jù)流量Q1與非接觸測流表中虛流量Q2得出系數(shù)Ko=Q1/Q2，進(jìn)行平均后出平均系數(shù)K1，根據(jù)Q2及K1計(jì)算得出非接觸測流流量Q3=K1/Q2，再計(jì)算與流速儀所得流量Q1的誤差。

非接觸測流成果共37份，經(jīng)回歸計(jì)算，流速系數(shù)0.7913，R2=0.9858，虛流量乘以該系數(shù)后與流速儀實(shí)測流量比較，相對誤差在10%以內(nèi)的共35份，占有效測流37份的比例為94.59%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.84%;相對誤差在8%以內(nèi)的共35份，占有效測流29份的比例為78.38%;相對誤差在5%以內(nèi)的共20份，占有效測流37份的比例為54.05%（見表2）。

同歸分析計(jì)算結(jié)果表明，采用雷達(dá)測流系統(tǒng)進(jìn)行測驗(yàn)的流量數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)相差不大，但是也存在個(gè)別數(shù)據(jù)誤差較大，造成誤差的原因是多方面的：①較大流速條件下，當(dāng)非接觸測流系統(tǒng)與鉛魚同步測量時(shí)，由于偏角過大，易發(fā)生非接觸流速傳感器采集緩慢現(xiàn)象，纜道主索隨鉛魚移動產(chǎn)生的跳動也會影響雷達(dá)波流速儀施測;②下游陸水水庫水位較高時(shí)，會對斷面產(chǎn)生嚴(yán)重頂托影響，同樣導(dǎo)致流速的橫向分布異常，流速系數(shù)偏小;后期可通過試驗(yàn)補(bǔ)充數(shù)據(jù)，率定出不同水位級流速系數(shù)，以便進(jìn)一步提高測流精度。

目前所采用的非接觸式雷達(dá)波測速儀安裝在纜道行車上，測流過程中不接觸水面，通過發(fā)射雷達(dá)波并接受雷達(dá)波方式測量流速，隨后進(jìn)行軟件處理得出流量。該儀器與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀測流相比，施測時(shí)間大大縮短，在高洪情況下，由于不接觸水面，可避開漂浮物對測流過程的影響;數(shù)據(jù)分析表明，與流速儀比測結(jié)果相比，誤差不大。

4結(jié)語

本文的初步研究及數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，非接觸式雷達(dá)波流速儀與纜道轉(zhuǎn)子式流速儀的比測效果較好，基本能夠滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求，且監(jiān)測系統(tǒng)室外設(shè)備運(yùn)行為非接觸式，安全系數(shù)高、安裝方便、運(yùn)行穩(wěn)定，可大大減輕工作人員勞動強(qiáng)度，建議推廣用于搶測洪峰測驗(yàn)工作中，并在一定程度上替代浮標(biāo)、漂浮物等傳統(tǒng)測驗(yàn)手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]河海大學(xué)，水文測驗(yàn)學(xué)[M].鄭州：黃河出版社，2003.

[2]李騰，全小龍，黃童，船載三維激光掃描系統(tǒng)在三峽庫區(qū)庫岸地形測量中的應(yīng)用[J].水利水電快報(bào)，2018，39（10）：29-32.

（編輯：李慧）

收稿日期：2019-01-10

作者簡介：解傳奇，男，助理工程師，主要從事水文測驗(yàn)工作。E-mail： 410789452@qq.com