固定式雷達(dá)波在線流量監(jiān)測系統(tǒng)在水文中的應(yīng)用

劉運(yùn)珊 簡正美

(江西省贛州市水文局，江西 贛州 341000)

目前，水文流量監(jiān)測普遍使用傳統(tǒng)測速儀施測，在洪水期作業(yè)存在測量困難、單次測驗(yàn)耗時(shí)過長、人力投入較大、存在安全隱患、數(shù)據(jù)不能自動(dòng)傳輸?shù)葐栴}[1]。傳統(tǒng)的方法難以有效、有序開展監(jiān)測工作，造成水文工作人員的工作效率降低，在監(jiān)測洪水或者特大洪水時(shí)很難滿足社會(huì)對水文的要求[2-4]。傳統(tǒng)流速儀的在線測流系統(tǒng)和走航式ADCP測流系統(tǒng)也不能根本解決長期可靠運(yùn)行、無人值守和工效等問題[5]。現(xiàn)有的雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)有雙軌式[6]、纜道式[7]，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)單次測流功能，但均未實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)實(shí)時(shí)流量監(jiān)測功能；側(cè)掃式雷達(dá)波測流系統(tǒng)的研究[8]，雖然實(shí)現(xiàn)了每5min自動(dòng)監(jiān)測，但其安裝位置受限，只適用于岸邊安裝，且目前只比測了中水位的流速及研究了中水位時(shí)的適用性。針對這些問題，贛州市水文局開發(fā)了固定式雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)，本文通過分析該系統(tǒng)在水文流量測驗(yàn)中的應(yīng)用，收集并比測高、中、低不同水位(流量)級的數(shù)據(jù)，探討在人員無接觸情況下實(shí)現(xiàn)對河道平時(shí)測驗(yàn)、高洪監(jiān)測及危險(xiǎn)水情等特殊環(huán)境下的流量全天候自動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的可行性。

1 固定式雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)介紹

固定式雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)的設(shè)備配置包括數(shù)據(jù)采集端和服務(wù)端，見表1。蓄電池組和RTU(REMOTE TERMINAL UNIT)安裝于野外機(jī)箱中，雷達(dá)波探頭位于機(jī)箱下部。蓄電池組對野外數(shù)據(jù)采集端24小時(shí)持續(xù)供電。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集端以雷達(dá)波探頭為水面流速測量儀器，雷達(dá)波水位計(jì)為水位測量儀器，每5min測量并接收1次水位及流速數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)由RTU自動(dòng)向服務(wù)端實(shí)時(shí)發(fā)送。服務(wù)端配備于機(jī)房，在接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)站點(diǎn)借用斷面資料，通過計(jì)算模型進(jìn)行流量計(jì)算，原始測驗(yàn)數(shù)據(jù)和流量計(jì)算數(shù)據(jù)都存儲于數(shù)據(jù)庫中，再由PC端或手機(jī)端瀏覽器展示給用戶，并提供數(shù)據(jù)下載、參數(shù)調(diào)整等功能。系統(tǒng)工作流程示意見圖1。

表1 固定式雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)設(shè)備配置

圖1 固定式雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)工作流程

1.1 數(shù)據(jù)采集端

數(shù)據(jù)采集端包括雷達(dá)波流速儀(以下簡稱HR-20A)、雷達(dá)波水位計(jì)(以下簡稱HR-30A)、RTU、太陽能電池板和免維護(hù)蓄電池組。本應(yīng)用主要介紹HR-20A和RTU。

1.1.1 HR-20A

HR-20A根據(jù)多普勒雷達(dá)測速原理，對水流的表面流速進(jìn)行測量，它是一種非接觸式測流設(shè)備，測流不受河道漂浮物、滾石等影響，適合高洪測驗(yàn)[9-11]。借用岸邊升桿、橋梁或其他合適的載體，將儀器安裝在河道中泓位置，對水流施測表面流速。HR-20A適用于順直、穩(wěn)定、水流集中的測驗(yàn)河段。

1.1.2 RTU

RTU作為遠(yuǎn)程測控終端[12]，主要有3項(xiàng)控制功能：一是雷達(dá)波數(shù)據(jù)采集控制功能，控制HR-20A和HR-30A每5min采集1次數(shù)據(jù)；二是數(shù)據(jù)傳輸功能，RTU中集成的通信模塊將測驗(yàn)數(shù)據(jù)通過GPRS實(shí)時(shí)自動(dòng)發(fā)送到機(jī)房服務(wù)端；三是太陽能充電控制功能，保持電源系統(tǒng)提供24小時(shí)不間斷供電并防止過充。

1.2 服務(wù)端

服務(wù)端設(shè)置在水文局機(jī)房內(nèi)，包括服務(wù)器(硬件)和在線系統(tǒng)(軟件)。服務(wù)器為在線系統(tǒng)工作提供良好的硬件運(yùn)行環(huán)境。在線系統(tǒng)包括接收端軟件、流量計(jì)算軟件和WEB展示端。

1.2.1 接收端

由接收端軟件實(shí)時(shí)接收各站點(diǎn)水位、流速數(shù)據(jù)。經(jīng)過編碼加密處理的各站原始信息由相應(yīng)的解碼模塊進(jìn)行解碼還原，得到所需要的測驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他信息，將解碼后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 流量計(jì)算軟件

由流量計(jì)算軟件對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)提取，每5min提取1次，頻率與數(shù)據(jù)采集、發(fā)送頻率相同。根據(jù)實(shí)測斷面平均流速與雷達(dá)波流速關(guān)系率定斷面平均流速，通過水位-面積關(guān)系計(jì)算過水面積，從而計(jì)算平均流量。

1.2.3 WEB展示端

基于B/S架構(gòu)，從SQLSERVER數(shù)據(jù)庫調(diào)取數(shù)據(jù)，在瀏覽器中提供多種形式的數(shù)據(jù)查詢手段，包括過程線、數(shù)據(jù)表等。展示端可進(jìn)行參數(shù)編輯，即可以對流速平滑參數(shù)、流量系數(shù)、大斷面數(shù)據(jù)等進(jìn)行修改，此功能主要用于人工校調(diào)儀器后，或斷面等其他參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的數(shù)據(jù)更正。展示端具有互動(dòng)性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。

2 固定式雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 安全、無接觸、高效

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員無接觸式自動(dòng)測量，安裝簡便，降低人力成本，提高工作效率。解決常規(guī)水文測驗(yàn)方式在高洪時(shí)期流量自動(dòng)監(jiān)測問題，大幅縮短流量測驗(yàn)耗時(shí)，提高測汛報(bào)汛實(shí)效，保障測驗(yàn)人員安全。

2.2 24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測

通過設(shè)置，實(shí)現(xiàn)每5min發(fā)送水位、流速、流量等數(shù)據(jù)。采集樣本多，為分析提供大量的數(shù)據(jù)支撐。實(shí)現(xiàn)了全天候自動(dòng)在線監(jiān)測，自動(dòng)傳輸，在線查詢。

2.3 抗干擾性強(qiáng)

測流系統(tǒng)不受漂浮物、水體氣泡、泥沙、水質(zhì)、河底雜物擾動(dòng)等外界因素的干擾。

2.4 設(shè)備性能好，技術(shù)領(lǐng)先

測速范圍在0.15～15.00m/s間，測速精度為 0.02m/s，測量方向?yàn)殡p向。采用集成雷達(dá)水位計(jì)，精度高(±1cm)、測量范圍大(1.5～40.0m)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

3 應(yīng)用情況

固定式雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)通過監(jiān)測水位和流速計(jì)算流量，流量的精度主要來自水位和流速的精度。應(yīng)用雷達(dá)波測量河道水位已有較長的時(shí)間，技術(shù)成熟，測量精度能夠滿足《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 50138—2010)的規(guī)定，不再作水位誤差分析[13]，只對流量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。

本研究使用贛州市水文局筠門嶺站的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行論證。該站屬于二類精度站，測驗(yàn)河段順直、穩(wěn)定、水流集中，符合HR-20A測驗(yàn)環(huán)境條件。

3.1 誤差分析

根據(jù)流速儀實(shí)測流量的時(shí)間摘錄雷達(dá)波測量的流量數(shù)據(jù)，繪制2種測驗(yàn)方法下該站水位-流量關(guān)系曲線，見圖2，結(jié)果顯示該站水位-流量關(guān)系無明顯系統(tǒng)偏離。

圖2 筠門嶺站水位-流量關(guān)系

收集該站2019年低、中、高洪水共12次對比流量資料，計(jì)算相對誤差、系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差和總不確定度。

相對誤差：

(1)

系統(tǒng)誤差：

(2)

標(biāo)準(zhǔn)差：

(3)

不確定度：

(4)

式中：δQi為相對誤差；Q0i為流速儀所測流量，m3/s；Qci為HR-20A所測流量,m3/s；Sc為標(biāo)準(zhǔn)差；Qc為HR-20A所測流量均值；Q0為流速儀所測流量均值；n為測次總數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，該站的系統(tǒng)誤差為0.2%，總不確定度為10.8%。對照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)均勻浮標(biāo)法單次流量測驗(yàn)允許誤差標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，系統(tǒng)誤差指標(biāo)允許范圍為-2%～1%，總不確定度誤差指標(biāo)為小于11%，該站系統(tǒng)誤差及總不確定度誤差均在規(guī)定范圍內(nèi)，HR-20A所測流量數(shù)據(jù)滿足國家二類精度水文站浮標(biāo)法單次流量測驗(yàn)允許誤差的規(guī)定。

兩種測流方式比測成果見表2，分析成果見表3。

表2 筠門嶺站雷達(dá)波法與流速儀流量測驗(yàn)法比測成果

表3 筠門嶺站雷達(dá)波法與流速儀法流量分析成果

3.2 相關(guān)分析

根據(jù)該站比測流量繪制回歸直線圖，當(dāng)雷達(dá)波探頭位于中泓位置時(shí)，相關(guān)線性良好，雷達(dá)波法流量與常規(guī)流速儀法測得流量接近，相關(guān)系數(shù)為0.9937，見圖3。

圖3 筠門嶺站雷達(dá)波流量與流速儀流量關(guān)系

3.3 洪量分析

為進(jìn)一步說明該系統(tǒng)能夠很好地運(yùn)用在水文流量測驗(yàn)中，對該站進(jìn)行單次洪水總量分析，分別選取2019年6月10日與2019年6月24日兩次較大洪水過程進(jìn)行分析，兩次洪量相對誤差分別為-4.56%和1.54%，均小于6.00%的允許誤差，分析成果見表4。

表4 筠門嶺站單次洪水總量誤差

4 影響流量準(zhǔn)確性的因素及處理方法

固定式雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)進(jìn)行流量計(jì)算使用的是借用斷面資料，斷面的變化將直接影響流量測驗(yàn)結(jié)果。如站點(diǎn)受洪水沖刷或因其他原因?qū)е聰嗝娌环€(wěn)定，應(yīng)及時(shí)在洪水后或其他影響因素發(fā)生后施測斷面并更新系統(tǒng)斷面數(shù)據(jù)，這將有助于流量監(jiān)測精度的提高。

5 結(jié) 語

固定式雷達(dá)波在線流量系統(tǒng)適用于測驗(yàn)河段順直、穩(wěn)定、水流集中的站點(diǎn)。系統(tǒng)采用全自動(dòng)無人值守方式，實(shí)現(xiàn)全天候每5min實(shí)時(shí)流量監(jiān)測，具有非接觸、自動(dòng)化的特點(diǎn)。同時(shí)，該系統(tǒng)不受漂浮物、泥沙、水質(zhì)等的條件影響，適用于平時(shí)測驗(yàn)、高洪監(jiān)測及危險(xiǎn)水情測量等特殊環(huán)境。將人力從煩瑣的流量測驗(yàn)工作中解放出來，促進(jìn)了水文監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步和水利信息化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了水文測站“實(shí)時(shí)在線，自動(dòng)監(jiān)測”的功能。