RQ30D多傳感器在線測流系統(tǒng)在高原地區(qū)的應(yīng)用

郁 婷， 楊 溯， 鄒 巍， 嵇海祥， 尼瑪扎西

(1.江蘇南水科技有限公司， 江蘇 南京 210012； 2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所， 江蘇 南京 210012；3.西藏自治區(qū)水文水資源局阿里分局， 西藏 阿里 859000)

西藏阿里地區(qū)常年平均氣溫為0℃，獅泉河鎮(zhèn)冬季極端最低氣溫-41℃，夏季極端最高氣溫21℃，晝夜溫差相當(dāng)大。獅泉河，藏語稱“森格藏布”，發(fā)源于岡底斯山脈主峰岡仁波齊北部的森格卡巴林附近，其源頭海拔5 164 m，流域洪水來源于岡底斯山和喜馬拉雅山兩大山系的融雪洪水，水流速很大，它穿行在高山深谷之間，河床狹窄且兩岸石崖壁立，形成許多急流險(xiǎn)灘[1-2]。獅泉河流經(jīng)的地方絕大部分是無人區(qū)，主汛期洪水出現(xiàn)在8月，平均流量占全年的32%，年均徑流量為3億m3，具有山洪多發(fā)、洪水含沙量大及陡漲陡落的特點(diǎn)，其河流流量監(jiān)測與預(yù)警需求迫切，為此在阿里地區(qū)選擇測驗(yàn)河道，建立一套非接觸式流量在線自動(dòng)監(jiān)測站。利用非接觸雷達(dá)波譜技術(shù)對河流水位和流速開展自動(dòng)測驗(yàn)，經(jīng)過兩年汛期的運(yùn)行，與實(shí)測資料對比分析，能滿足快速應(yīng)對高原自然災(zāi)害變化突發(fā)水事件要求，滿足高原地區(qū)水文、防汛部門迅速啟動(dòng)應(yīng)急水文監(jiān)測和實(shí)施應(yīng)急預(yù)案的要求。

1 RQ30D工作原理

RQ30D是一種非接觸式、國定式、低維護(hù)的全自動(dòng)流量監(jiān)測傳感器。它利用非接觸式波譜技術(shù)對河流水位和流速開展自動(dòng)測驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼綶3-4]，其特點(diǎn)是利用兩個(gè)以上測流傳感器在一個(gè)河流斷面測流，從而應(yīng)對更較寬跟復(fù)雜的斷面環(huán)境。RQ30D測流原理圖如圖1所示。

圖1 測流原理

RQ30D測流原理利用多普勒頻移效應(yīng)，儀器發(fā)送固定頻率雷達(dá)波(24GHz)斜向射到水面，一部分雷達(dá)波被水面波浪反射回來，反射回來的雷達(dá)波產(chǎn)生多普勒頻移信息被儀器接收，測出反射和發(fā)射信號的頻差，就可以計(jì)算出水面波浪的流速，由于水的表面是波浪的載體，可以認(rèn)為波浪和水面流速相同。計(jì)算公式為

(1)

式中：v為水面流速；C為電波在空氣中的傳播速度，一個(gè)常數(shù)；fD為多普勒頻移；f0為發(fā)射的雷達(dá)波頻率；θ為發(fā)射波與水流方向的夾角。

測速雷達(dá)測出的測量點(diǎn)局部流速與斷面平均流速關(guān)系計(jì)算公式為

vm=vtk(h)

(2)

式中：vt為測量點(diǎn)局部流速，k為校正因子，h為河流水位。

據(jù)連續(xù)性原理[5]，斷面過水面積乘以斷面平均流速即得流量，河道流量Q計(jì)算公式為

Q=A(h)vm

(3)

由公式(1-3)可得河道流量Q為

(4)

式中：A(h)為斷面過水面積，可由斷面與實(shí)際水位測量得出。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由兩部分組成：中心站以及測站，中心站主要由接收設(shè)備(服務(wù)器、串口卡，軟件等)、供電設(shè)備(UPS、穩(wěn)壓電源)、通信設(shè)備(北斗衛(wèi)星)等組成。測站主要由RQ30D、供電系統(tǒng)(太陽能+蓄電池)、保溫設(shè)備機(jī)箱、RTU等組成。數(shù)據(jù)傳輸方式采用GPRS公網(wǎng)以及北斗衛(wèi)星作為通信信道，GPRS通道為主通道，北斗衛(wèi)星通道為輔助信道。系統(tǒng)架構(gòu)組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3 比測分析

獅泉河RQ30D監(jiān)測站選擇的斷面所在位置兩岸岸坡經(jīng)過固化，河底為鵝卵石構(gòu)成，河床穩(wěn)定。利用走航式ADCP流量測驗(yàn)[6-8]，對其進(jìn)行比測，從流量測驗(yàn)比測結(jié)果看，兩者之間還有一定偏離，比測結(jié)果如表1。

由表1可知，RQ30D與人工觀測數(shù)據(jù)誤差最大不超過2 cm，符合自動(dòng)水位監(jiān)測《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》規(guī)范要求[9-10]。同時(shí)，分析了隨著各水位的誤差絕對值分布，在線測流與人工數(shù)據(jù)的水位誤差并沒有隨著水位上升而增大，可以認(rèn)為RQ30D系統(tǒng)中的雷達(dá)水位計(jì)消浪較好，可以滿足使用要求。

表1 獅泉河水位流量比測

3.1 水位對比

圖3分析了水位的誤差絕對值分布，在線測流與人工數(shù)據(jù)的水位誤差并沒有隨著水位上升而增大，可以認(rèn)為RQ30D系統(tǒng)中的雷達(dá)水位計(jì)可以滿足使用需求。從圖4可知，RQ30D與人工水位變化趨勢一致。

圖3 水位誤差分布

圖4 水位過程線對比

3.2 流量過程對比

從流量過程線對比圖5可知，RQ30D與人工流量變化趨勢一致，沒有分歧現(xiàn)象。

圖5 流量過程對比

3.3 流量相關(guān)性對比

從圖6可知，人工流量數(shù)據(jù)與在線測流的流量數(shù)據(jù)相關(guān)性極強(qiáng)，說明RQ30D反應(yīng)的流量規(guī)律與人工實(shí)測數(shù)據(jù)一致，符合該站流量變化的事情情況。

圖6 流量相關(guān)性對比

3.4 水位流量關(guān)系線對比

由圖7可知，人工流量數(shù)據(jù)與在線測流的流量數(shù)據(jù)的水位流量關(guān)系曲線非常接近，吻合度很高。

圖7 水位流量關(guān)系線對比

4 結(jié) 語

由于西藏地區(qū)溫度低、溫差大、氣壓低、日照強(qiáng)、河流湍急等，常規(guī)水文測驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)高流速下的洪水流量水位自動(dòng)測量。非接觸式雷達(dá)測流技術(shù)，利用非接觸雷達(dá)波譜技術(shù)對河流水位和流速開展自動(dòng)測驗(yàn)，能解決高海拔地區(qū)惡劣環(huán)境下或危險(xiǎn)河道的洪水過境監(jiān)測需求問題，為水文分析提供依據(jù)。

非接觸河流流量自動(dòng)測驗(yàn)系統(tǒng)裝置適于在河流環(huán)境下安裝使用，免維護(hù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)生突發(fā)山洪高流速時(shí)自動(dòng)化采集傳輸與分析評估，測量數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間和事件的變化隨時(shí)自動(dòng)采集和傳輸。非接觸式自動(dòng)測流系統(tǒng)在高海拔地區(qū)獅泉河站得到良好的應(yīng)用，具有安全低損、少維護(hù)、無泥沙影響等優(yōu)勢，可更好地為高原地區(qū)特殊條件下水文監(jiān)測、防汛決策指揮、水資源管理等提供技術(shù)支撐，因此系統(tǒng)在高原地區(qū)具有一定的推廣價(jià)值。