雙系統(tǒng)組合式雷達波在線測流系統(tǒng)研究與應用

丁韶輝 張 白 彭 豪

（水利部淮河水利委員會 蚌埠 233001）

1 引言

河道流量測驗是水文工作的重要組成部分，流量數(shù)據(jù)對水資源管理、水生態(tài)保護以及防汛抗洪工作的開展具有重要作用。目前，國內(nèi)外流量在線監(jiān)測的方法和手段主要有水力學公式法、時差法、V-ADCP、H-ADCP、雷達波、側(cè)掃式雷達等。由于河道來水和斷面特征的復雜性，各種技術都有其局限性與應用范圍。其中，非接觸雷達在線測流系統(tǒng)是一種采用雷達多普勒原理來測量表面流速，進而推算出流量的測驗方式。由于設備與水體不接觸，此類設備具備安全低損、運行穩(wěn)定、不受泥沙影響、安裝維護相對簡單等特點。

2 建設背景

臨沂水文站是沂河干流控制站，為國家重要水文站，設立于1950年3月，該站以上河道干流長227.8km，平均坡度0.96‰，集水面積10315km2。該站斷面寬約1500m，如此長的斷面寬度給流量監(jiān)測帶來了巨大挑戰(zhàn)，洪水期間，一次測流往往超過1h。

2019年臺風“利奇馬”給山東省經(jīng)濟建設造成了很大的影響和損失。同時，也暴露出該站的流量監(jiān)測存在時效性差的短板。數(shù)據(jù)獲取不夠及時、數(shù)據(jù)密度不足，監(jiān)測技術與能力跟不上防汛等社會服務的緊迫需求。建設流量在線監(jiān)測系統(tǒng)，提高該站監(jiān)測時效性，加密監(jiān)測數(shù)據(jù)，迫在眉睫。

淮河水利委員會水文局（信息中心）經(jīng)過充分調(diào)研，根據(jù)臨沂水文站的實際情況，組織建設基于雷達波技術的流量在線監(jiān)測系統(tǒng)，針對較寬的河道斷面，創(chuàng)造性地設計并實施了雙系統(tǒng)組合雷達波在線測流系統(tǒng)模式，實現(xiàn)了水位、流量數(shù)據(jù)實時在線監(jiān)測。該項技術是國內(nèi)首次開發(fā)研制并投入應用，很好的解決了典型河段斷面較寬、在線監(jiān)測等難題。

3 建設情況

3.1 總體結(jié)構

雷達波在線測流系統(tǒng)由多個雷達測速儀傳感器、雷達水位計傳感器、數(shù)據(jù)采集終端（RTU）、防雷單元（電源防雷器和信號防雷器）、電源單元（太陽能電池板、蓄電池、充電控制器和直流開關）、通信單元（支持2G、3G、4G）等組成。

雷達流速儀測速的原理是多普勒效應，測速時儀器固定在岸上或橋上，工作時雷達波流速儀發(fā)射的微波射到水體的水面上，一部分微波被水面反射回來，產(chǎn)生多普勒頻移信息，根據(jù)反射信號和發(fā)射信號的頻率差，推算出水面流速。項目組對多個國內(nèi)外廠家雷達測流產(chǎn)品進行比選，最終選定了奧地利SOMMER 公司的RG-30 作為雷達波在線測流系統(tǒng)的核心傳感器。

該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集終端（RTU）采集流速、水位、工況等數(shù)據(jù)。RTU 支持遠程下載數(shù)據(jù)、遠程參數(shù)設置、遠程時鐘校準，擁有平安報、自報（段制需要設定）、加報（需要設定增量）和查詢應答（召測）多種工作方式。RTU 通過GPRS 將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心負責存儲、處理和使用。

系統(tǒng)采用太陽能供電方式，電源電壓12VDC，供電系統(tǒng)由80W 太陽能板、太陽能充電控制器、膠體電池（12V100Ah）等組成，可保證30 天連續(xù)陰天的情況下系統(tǒng)的正常運行。

定制開發(fā)了專用應用軟件，實現(xiàn)接收、處理、數(shù)據(jù)存儲入庫等后臺功能，系統(tǒng)具有豐富的遠程參數(shù)修改功能，支持TCP 與串口同時數(shù)據(jù)通信，支持標準水文通訊規(guī)約通訊協(xié)議；為方便用戶，系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)查詢、繪制各類圖形、數(shù)據(jù)整理分析、特征值統(tǒng)計查詢等功能；為提供系統(tǒng)適應性，軟件系統(tǒng)還提供實測大斷面數(shù)據(jù)和流量模型計算的參數(shù)修改，提供人工數(shù)入補發(fā)數(shù)據(jù)功能。

3.2 技術實現(xiàn)

雷達波在線測流系統(tǒng)是典型的信息化集成項目，不是設備購買后的簡單安裝，必需充分考慮測流斷面的特性，合理進行設備組合設計，才能充分發(fā)揮出設備的應有功能，系統(tǒng)的精度與可靠性才能得到保證。該系統(tǒng)的集成涉及雷達探頭的位置選擇、信息組網(wǎng)與流量模型的建立、斷面設備的安裝等方面。每個環(huán)節(jié)都需要充分論證，精準實施。系統(tǒng)的建設需要基于歷史數(shù)據(jù)與資料，分析斷面形態(tài)和流速分布橫向變化情況，科學合理地確定探頭布設的位置和數(shù)量，建立可行的流量計算模型，還需要因地制宜，選用適宜的安裝方式。

3.2.1 雷達探頭布設

臨沂水文站的測驗河段基本順直，斷面位于國道G327 線沂河大橋上游側(cè)，斷面寬約1500m，主槽相對固定，斷面沖淤變化不大。測流設備安裝在公路橋側(cè)面，為盡量避開橋墩澭水的影響，測流垂線選擇在兩橋墩中間部位。根據(jù)近年幾次典型洪水的流速、水深、水位等實測資料的套繪分析，充分考慮斷面環(huán)境條件、斷面形態(tài)、斷面寬度和流速分布及其變化情況，兼顧考慮經(jīng)濟技術的合理性，確定布設10 條垂線，每條垂線對應安裝1 臺非接觸雷達測流儀，10 條垂線的起點距分別是：1#-285m、2#-435m、3#-585m、4#-705m、5#-795m、6#-885m、7#-975m、8#-1065m、9#-1215m、10#-1315m，雷達水位計安裝在6#垂線位置，此處水深最深，具體位置可在安裝時適當微調(diào)。

3.2.2 流量計算模型

探頭布設的位置和數(shù)量確定后，需要建立相應的流量計算模型。本次系統(tǒng)有斷面較寬，纜線長，探頭數(shù)量多的特點，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度，該系統(tǒng)創(chuàng)造性的將10 個傳感器采用交叉分配的方式，構建成獨立運行的兩個分系統(tǒng)，10 個傳感器既可以協(xié)同工作，也可以分組運行，系統(tǒng)分三個模型狀態(tài)。此組合方式為國內(nèi)首次采用，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與處理速度。

模型Ⅰ：水位達到斷面為暢流水體，兩個分系統(tǒng)運行正常，流量采用水位控制斷面面積，全部10條垂線流速參加流量模型擬建，利用建立的全系統(tǒng)流量模型計算流量，其表達式為：

模型Ⅱ：水位達到斷面為暢流水體，兩個分系統(tǒng)中1#系統(tǒng)故障，2#系統(tǒng)運行正常，流量計算采用水位控制斷面面積，2#系統(tǒng)的5 條垂線流速參加流量模型擬建2#系統(tǒng)流量模型，利用建立的2#系統(tǒng)流量模型計算流量，其表達式為：

模型Ⅲ：水位達到斷面為暢流水體，兩個分系統(tǒng)中2#系統(tǒng)故障，1#系統(tǒng)運行正常，流量計算采用水位控制斷面面積，1#系統(tǒng)的5 條垂線流速參加流量模型擬建1#系統(tǒng)流量模型，利用建立的1#系統(tǒng)流量模型計算流量，其表達式為：

式中：Q1—全系統(tǒng)流量；

Q2—1#系統(tǒng)流量；

Q3—2#系統(tǒng)流量；

K1、K2、K3—虛實流量對比綜合系數(shù)；

α左、α右—左右岸系數(shù)；

Ai—對應垂線間的面積；

Vi—第i 條垂線的流速。

3.2.3 斷面設備安裝

由于設備分布間隔較遠，信號及電源衰減較強，建設中將系統(tǒng)設備分為兩組安裝，每組配置1 個數(shù)據(jù)采集終端（RTU）和5 個雷達測速儀傳感器，傳感器采用成交叉組隊的方式，1、3、4、6、8 一組，余下探頭為一組，這樣可有效的減小線路傳輸距離，又可以在一組故障的情況下，仍可提供有效的測流數(shù)據(jù)。

非接觸雷達測流儀安裝在公路橋T 型梁下端凸起部分的邊緣上，安裝架為用100×50×5 的槽鋼定制的倒C 型卡箍，φ50 的直立懸臂和卡箍焊接為一體，RG30 非接觸雷達測流儀安裝在懸臂的下端。整個安裝架已在前期預制，施工時只需擰緊4 支夾緊螺栓即可。

4 應用效果

臨沂水文站非接觸雷達在線測流系統(tǒng)于2020年7月上旬投入運行，經(jīng)歷了2020年8月沂河大洪水的考驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，精度可靠，達到了提高流量監(jiān)測實效性的目的，為防汛預警預報提供了及時的數(shù)據(jù)支撐。2020年臨沂站實測洪峰流量10900m3/s，系統(tǒng)監(jiān)測流量10800m3/s 左右，洪峰流量值十分接近。該系統(tǒng)不間斷每5min 上報一個流量數(shù)據(jù)，較之人工流量約1h 才能監(jiān)測到一個數(shù)據(jù)，時效性大為提高，為沂河沭河洪水的精準調(diào)度提供了可靠數(shù)據(jù)支撐。

在水位流量過程線圖（圖1、圖2）中，點為人工實測流量數(shù)據(jù)，點與流量過程線高度擬合。通過對1000 流量以上的人工與自動數(shù)據(jù)進行分析計算，兩者的相關系統(tǒng)在0.997。

圖1 水位流量過程線1 圖

圖2 水位流量過程線2 圖

流速分布對比圖為雷達監(jiān)測探頭所測流速與走航ADCP 的所測相應位置的水面表面流速的對比，在圖3中可以看出流速分布合理，符合天然河道河速分布特性，且雷達探頭與走航ADCP 兩者所測數(shù)據(jù)高度一致。

圖3 流速分布對比圖

人工與自動流量數(shù)據(jù)對比圖中，藍色點子的橫坐標為人工流量，縱坐標為相應時間段的自動流量，紅線為45°線，點越靠近紅線則數(shù)據(jù)精度越準。在圖4 可以看出人工與自動流量數(shù)據(jù)相當接近。

圖4 人工與自動流量數(shù)據(jù)對比圖

5 結(jié)語

臨沂雷達波在線測流系統(tǒng)是國內(nèi)首次研制并投入應用的雙系統(tǒng)組合雷達波在線測流系統(tǒng)，很好的解決了河道斷面寬、探頭多、高洪不易施測等流量監(jiān)測難題，實現(xiàn)了流量高密度在線監(jiān)測。系統(tǒng)在臨沂站安裝運行以來，性能可靠，運行穩(wěn)定，精度理想，應用效果良好，極大提高了臨沂站流量監(jiān)測的自動化水平，為洪水預報調(diào)度提供了強力數(shù)據(jù)支撐，達到了國內(nèi)外先進水平。經(jīng)統(tǒng)計，該系統(tǒng)在2020年、2021年兩年提供有效流量數(shù)據(jù)6000 多組，在防御2020年、2021年沂河大洪水中發(fā)揮了重要作用，為防汛預警預報，特別是避免邳蒼分洪道啟用上提供了及時有力的數(shù)據(jù)支撐，防洪效益及社會經(jīng)濟效益顯著。按照一次測流綜合成本500 元計算，節(jié)約資金達300 萬元以上。

目前，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展對流量監(jiān)測的要求越來越高，以人工監(jiān)測為主的流量測驗方式已經(jīng)不能很好滿足行業(yè)發(fā)展的需要，開展流量監(jiān)測新技術的研究與應用，提高水文監(jiān)測自動化水平，勢在必行。雖然流量自動監(jiān)測技術還無法完全替代人工測流，但它在提高人工測流時機的掌控，減少人工測流頻次，加密流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高勞動效率，降低勞動強度等方面可以發(fā)揮重要作用。

雷達波在線測流系統(tǒng)適用于我國大江大河、中小河流、灌區(qū)渠道的流速、流量數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測，特別是中高水情況下得到較好的應用。該系統(tǒng)的建設和推廣應用，將大大改善現(xiàn)有水文站的傳統(tǒng)監(jiān)測條件，降低一線水文測站工作人員的工作強度，減小水文職工在大洪水時測驗的危險系數(shù)，提高工作效率，進而實現(xiàn)“有人看管，無人值守”的目標，為實現(xiàn)水文信息化和現(xiàn)代化提供技術支持。該方法相對接觸式流量監(jiān)測系統(tǒng)還具有設備不易受損，維護工作量小的特點，能夠為當前時期防汛抗旱、水資源管理服務提供一種可行的自動流量監(jiān)測方案，具有良好的應用推廣價值■