HST-RD01非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)在寶坑站中的應(yīng)用研究

劉秀珍,曹 洋

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510925)

隨著水文監(jiān)測站點(diǎn)、監(jiān)測任務(wù)的不斷增加，需要進(jìn)一步提高流量監(jiān)測的精度和效率。為此，研究新的流量測驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，在防洪減災(zāi)、滿足最嚴(yán)格水資源管理的同時(shí)，減少人員編制，減輕財(cái)政負(fù)擔(dān)，意義十分重大。

松源河寶坑水文站為無人值守站點(diǎn)，為提高流量測驗(yàn)效率，2015年開始安裝非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)，通過近6 a數(shù)據(jù)分析，其測驗(yàn)成果滿足規(guī)范要求，極大縮短測流歷時(shí)，減輕了流量監(jiān)測工作的人力、物力、財(cái)力的投入。寶坑站渠道非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)測驗(yàn)方式被推廣至梅州市轄區(qū)其他中小河流站點(diǎn)，使流量監(jiān)測數(shù)據(jù)更全面，更細(xì)致，提高了流量監(jiān)測的精度和效率，為山區(qū)性河流防洪及水資源管理，提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 基本情況

1.1 測站概況

松源河是韓江一級(jí)支流，發(fā)源于福建上杭大平山，于蕉嶺北礤流入梅州境內(nèi)，于北礤匯北礤水，于梅縣松源匯南礤水，在松口銅盤下匯入梅江。流域集雨面積為642 km2，河長為77 km，廣東境內(nèi)為59 km，平均坡降為4.85‰，流域內(nèi)植被較好，河床坡降陡，天然落差大，水力資源豐富。松源河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，雨量充沛，多年平均降水量為1 650 mm。暴雨以鋒面雨和臺(tái)風(fēng)雨為主，多集中在每年的4—9月，約占全年總降水量的77%。

寶坑(渠道)站建立于1972年1月，為上游河流筑壩分流后，用于推算松源河原河道流量增設(shè)的測驗(yàn)輔助站。受下游寶坑電站蓄放水影響，渠道引水流量為5～15 m3/s，全年引出水量約占年徑流總量的2/3，實(shí)測最大流量為18.1 m3/s(2016年)，最小流量為1.14 m3/s(1991年)，最大流速為1.74 m/s(2004年)，最小流速為0.14 m/s(1991年)，渠道水位常年保持在9. 35～11.15 m。在經(jīng)過多年的測驗(yàn)摸索后，渠道站最終確立以功率—流量關(guān)系線法推求渠道流量，但由于近年來電站管理模式愈加混亂(電站轉(zhuǎn)讓、人員調(diào)整等)，發(fā)電功率記錄不清晰，導(dǎo)致渠道水量推求愈加困難。因此，改變測驗(yàn)手段，尋求新的流量推求方法刻不容緩。

1.2 測驗(yàn)斷面情況

該站河段為人工開鑿引水灌溉、發(fā)電所用，河段較順直，下游約100 m為寶坑電站。站舍設(shè)在左岸，站舍所在位置設(shè)有流速儀測流斷面，斷面河底由基巖組成，斷面形狀呈“U”型，水流方向基本與斷面垂直。

2 非接觸式雷達(dá)測流原理

寶坑(渠道)站本次安裝的是HST-RD01非接觸式雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)。該套系統(tǒng)由測量傳感器、TT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和TT監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)成。

2.1 雷達(dá)測流傳感器

雷達(dá)測流傳感器是根據(jù)多普勒頻移原理[1-2]測量水體流速的，雷達(dá)探頭既是發(fā)射器又是接收器。探頭發(fā)射某一固定頻率的超聲波，然后接收被水體表面起伏散射回來的超聲波(見圖1)。假定水體表面起伏的移動(dòng)速度與水體表面流速相同，當(dāng)水體表面起伏的移動(dòng)方向是接近探頭時(shí)，探頭接收到的回波頻率比發(fā)射頻率高；當(dāng)水體表面起伏的移動(dòng)方向是背離探頭時(shí)，探頭接收到的回波頻率比發(fā)射頻率低，發(fā)射頻率與回波頻率存在差值，差值確定：

fd=2fδ(v/c)

(1)

式中：

fd——聲學(xué)多普勒頻率,kHz;

fδ——回波頻率,kHz;

v——水體表面起伏的移動(dòng)速度，m/s;

c——超聲波在空氣的傳播速度，m/s。

采用指標(biāo)流速法進(jìn)行水道斷面流量自動(dòng)監(jiān)測，其本質(zhì)是由局部流速推算斷面平均流速，可采用單點(diǎn)流速或多點(diǎn)流速，垂線平均流速或水平平均流速作為指標(biāo)流速；本次試驗(yàn)采用多點(diǎn)流速作為指標(biāo)流速。

圖1 非接觸式雷達(dá)測流示意

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)安裝

雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)安裝主要包括支架固定、電纜線鋪設(shè)、防水箱、蓄電池和太陽能板安裝。RG30-T主機(jī)探頭固定在直徑為0.06 m，厚度為0.1 cm的鋼管上，鋼管固定在導(dǎo)軌上，探頭向河中心滑動(dòng)延伸至左岸主流位置(由于受雷達(dá)探頭位置局限性的影響，一般在安裝時(shí)先分析斷面垂線點(diǎn)流速，哪條垂線流速接近斷面平均流速就定為雷達(dá)探頭位置)；支架由不銹鋼槽斜拉支撐固定，使探頭表面水平，發(fā)射面斜向下為58°(見圖2)；太陽能板安裝在屋頂處，避開樹林遮擋；電纜走線管后沿墻角布設(shè)；防雷電纜連接儀器外殼和地網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集控制器防水箱懸掛在內(nèi)墻上，施工做到美觀大方，質(zhì)量可靠。

圖2 雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)安裝位置示意

3 監(jiān)測系統(tǒng)率定分析

3.1 率定期間水文情勢

在雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)率定期間，水位變幅為8.67～11.15 m。隨機(jī)選取率定期內(nèi)，分析監(jiān)測水位與指標(biāo)流速[3]的變化情況(見圖3)，由圖3可知：水位下降(電站放水)，指標(biāo)流速變大；水位上升(電站蓄水)，指標(biāo)流速變小。水位與指標(biāo)流速明顯呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，符合發(fā)電渠道水流特性[4]。

圖3 水位和指標(biāo)流速過程線示意

3.2 率定方法

將寶坑(渠道)站纜道流速儀實(shí)測流量計(jì)算斷面平均流速V平均與雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)同步測出的指標(biāo)流速VSL，建立相關(guān)關(guān)系(見表1所示)。為確保資料一致性和精度，選取流量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的同步時(shí)間段與實(shí)測流量測流開始至結(jié)束時(shí)間段相對(duì)應(yīng)，如系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)間與實(shí)測流量時(shí)間出現(xiàn)偏差，則盡可能選擇其接近時(shí)間。

表1 斷面平均流速與指標(biāo)流速相關(guān)關(guān)系

3.3 關(guān)系率定

雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)安裝以來，總共收集了29份實(shí)測資料，實(shí)測流量為0.57～18.1 m3/s，流速為0.54～2.35 m/s。選取其中26份測次(V平均≤1.50 m/s)成果率定出中低流速級(jí)V指標(biāo)～V平均關(guān)系曲線再進(jìn)行人工微調(diào)；由圖4可見，中低流速V指標(biāo)～V平均關(guān)系曲線率定點(diǎn)子分布均勻且集中，相關(guān)關(guān)系良好；中高流速級(jí)范圍內(nèi)率定點(diǎn)子較少，且屬人為放水，不夠具備代表性，需作進(jìn)一步檢驗(yàn)率定分析。

圖4 指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系線示意

3.4 合理性檢驗(yàn)

對(duì)雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)率定的V指標(biāo)～V平均關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)、適線和偏離數(shù)值3個(gè)檢驗(yàn)分析，精度指標(biāo)參考《水文資料整編規(guī)范》表3.3.2-1巡測站規(guī)定并分別進(jìn)行合格率統(tǒng)計(jì)。

本次雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)率定，V指標(biāo)～V平均率定關(guān)系能通過三性檢驗(yàn)[5-7]，認(rèn)為定線正確；從測驗(yàn)精度角度看，在V平均≤1.50 m/s時(shí)，雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)V指標(biāo)～V平均關(guān)系線能通過符號(hào)、適線和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，指標(biāo)流速和斷面平均流速測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Se=3.5%，隨機(jī)誤差為7.0% ≤ 10 %，系統(tǒng)誤差為0.01%≤±1 %，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求，合格率統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 V指標(biāo)～V平均合格率統(tǒng)計(jì)

從圖4、表2可見，在中低流速級(jí)，V指標(biāo)～V平均關(guān)系點(diǎn)子分布集中，測驗(yàn)精度較高，相對(duì)誤差較小，具有明顯的變化規(guī)律；在中高流速級(jí)，由于電站人為因素影響，出現(xiàn)時(shí)間短、水位低、率定點(diǎn)子較少，率定關(guān)系代表性不夠，僅作低水時(shí)期分析參考。綜上，分析認(rèn)為中低級(jí)流速關(guān)系線滿足率定要求，中高級(jí)流速關(guān)系率定需在測驗(yàn)工作中進(jìn)行補(bǔ)充，以滿足需求。

4 結(jié)語

HST-RD01非接觸式雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)具有自動(dòng)化、測量精度高的特點(diǎn)[8]。本文選用中小河流渠道站，將雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測成果與傳統(tǒng)纜道流速儀實(shí)測流量進(jìn)行流速、流量對(duì)比，結(jié)果顯示HST-RD01非接觸式雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)在河流中低級(jí)流速測流時(shí)誤差小、精度高，在實(shí)際應(yīng)用中得出以下結(jié)論[9-11]：

1) 雷達(dá)流量監(jiān)測系統(tǒng)在河寬較窄、受水工建筑物影響的明渠河道中應(yīng)用較好，可在明渠流量監(jiān)測中推廣使用。其自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量大，保存時(shí)間長，可為灌溉、發(fā)電利用提供數(shù)據(jù)支撐。

2) 通過分析非接觸式雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)在寶坑(渠道)站的指斷關(guān)系，當(dāng)流速小于1.50 m/s時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差均較小，能夠滿足巡測站水文資料整編規(guī)范要求，對(duì)實(shí)現(xiàn)該站無人值守具有重要意義。

3) 非接觸式雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)安全性能高、抗干擾能力強(qiáng)，可應(yīng)用于中小河流窄深河道，在山洪發(fā)生時(shí)能及時(shí)反映實(shí)時(shí)水位、流量數(shù)據(jù)，能夠大大提高小河流山洪災(zāi)害預(yù)警、預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)的能力。

4) 非接觸式雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)測流是根據(jù)多普勒頻移原理測量水體表面流速，在極小流速時(shí)容易受風(fēng)力影響。當(dāng)河寬較寬時(shí)，也容易出現(xiàn)測點(diǎn)代表性不足的問題。因此，在設(shè)備安裝前要加強(qiáng)流速代表性分析，提高非接觸式雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)使用精度。