非接觸式雷達波測流技術(shù)在大路鋪水文站的應(yīng)用

呂清華

(湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410131)

水文測驗是水文工作的一個重要組成部分,是國家一項重要的基礎(chǔ)工作,在水利規(guī)劃、水工程建設(shè)管理、防汛抗旱、水資源管理與保護工作中都發(fā)揮了重要作用。水文測驗的核心內(nèi)容是監(jiān)測與分析評價水資源的質(zhì)量狀況及其變化規(guī)律,為國家和各級政府開發(fā)利用、管理與保護水資源提供科學(xué)依據(jù)[1-6]。河道流量測驗是水文測驗核心工作，當前河道流量測驗的方式主要采用接觸式測流，這種測流方式需結(jié)合常規(guī)纜道或測船進行流量測驗，測驗時間長、勞動強度大、工作效率低、安全隱患多，且存在流量測驗不及時、測驗精度受人為影響等問題。尤其主汛期的山溪型河流，洪水漲落率快，高洪過程短，且此時河道流量大，沖刷物和漂浮物多，如果面對較寬的河道斷面，傳統(tǒng)測驗即使采用1點法仍有漏測洪峰的可能，使得水文測驗的效率和精度時常無法達到標準要求。為解決流量測量信息采集、傳輸和處理自動化，提高水文信息采集與處理的時效性[7]、準確性。各地水文站網(wǎng)現(xiàn)有測報設(shè)施設(shè)備加快了更新改造步伐，推廣和應(yīng)用先進儀器設(shè)備，非接觸式測流方式隨著通信及傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展應(yīng)運而生[8]。它主要是采用發(fā)射雷達波的方式，利用多普勒效應(yīng)來進行河流表面流速測量的方法。因此，本文以湖南省大路鋪水文站非接觸式雷達波測流實驗為例，進行比測分析研究，并對未來測流技術(shù)的發(fā)展進行展望。

1 基本情況

江華大路鋪站位于湖南省永州市江華縣大路鋪鎮(zhèn)老村村，E111°32′，N25°02′，集水面積612 km2，1959年1月設(shè)立，測驗項目有降水、水位、流量、蒸發(fā)，轄春頭源、草嶺、濤圩、白芒營、巖口鋪5個委托雨量站。該站屬區(qū)域控制水文站和流量測驗精度二類水文站。基本水尺斷面在站房上游80 m處，測流斷面與基本水尺斷面重合，測驗河道順直段長約300 m，河床系巖石、砂石組成，斷面較穩(wěn)定，無回流、分流、漫灘現(xiàn)象，上下游為彎道，下游河床為巖石，下游45 m處的人工控制壩及下游河道的巖石對測驗斷面起良好的控制作用，枯水期水邊長有少量青苔，洪水期則被沖走。河道左右兩岸均為陡峭山坡，植被茂盛，河道左岸有一鄉(xiāng)村公路。根據(jù)研究任務(wù)，選擇該站作為非接觸式在線測流系統(tǒng)實驗站。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)設(shè)備主要由核心控制部分、雷達波懸吊儀器箱、視頻監(jiān)控部分、電源4部分組成，見圖1，其中雷達波懸吊式儀器箱安裝在支架上。本系統(tǒng)以系統(tǒng)主控器與嵌入式工控機為核心控制部件，以非接觸方式測量固定代表垂線上水體的表面流速，結(jié)合現(xiàn)場的水位數(shù)據(jù)，利用斷面資料，配套專業(yè)測流軟件，實現(xiàn)斷面流量的計算。

圖1 雷達波在線測流系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成圖

為了測試不同品牌設(shè)備，該站同時接入S3、Hr、Rg30不同品牌的3路雷達波流速儀，在工控機的統(tǒng)一控制下，在固定測流垂線處，3路雷達流速儀輪流工作。雷達波控制器將流速儀測量的原始數(shù)據(jù)通過LoRa電臺傳回工控機，待所有垂線測量完成，運行在工控機上的測流軟件對原始測流數(shù)據(jù)進行智能清洗，排除奇異數(shù)據(jù)后，再計算出流量成果。

3 測流原理及算法

3.1 雷達波測流原理

多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)的，它主要是指聲波或電磁波在傳播過程中，當發(fā)射源與反射體之間產(chǎn)生相對運動時，反射波頻率將會發(fā)生變化，頻率的這種變化稱之為頻移，即多普勒效應(yīng)。非接觸式雷達波測流就是利用多普勒效應(yīng)對水流表面的流速進行探測的。也就是當雷達波信號發(fā)送到水流表面時，在水流非均勻表面就會發(fā)生反向散射，并使反射波產(chǎn)生多普勒頻移[9-13]。通過雷達波探頭接收這些反射波，通過分析計算發(fā)射波與接收波之間的頻移差即可獲得水流速度。這種測流方法與公路上雷達波測速的方法類似。

3.2 歸一算法

非接觸式雷達波測速流量計算采用與纜道或水文測船流速儀測驗相同的計算方法，區(qū)別在于各測速垂線的垂線平均流速的獲取不同。對于纜道或水文測船流速儀測驗來說，根據(jù)規(guī)范可以采用一點法、二點法、三點法、五點法等不同的測驗方案獲得測速垂線上多個測點流速，并據(jù)此計算垂線平均流速(vmi)，對于非接觸式雷達波測速測流方式來說，施測的流速則為各垂線位置的表面流速。

非接觸式雷達波測速采用多普勒雷達測速原理(f=v/λ，其中f為頻率，v為速度，λ為波長)，測速數(shù)據(jù)容易受強暴雨、大風(fēng)沙等外界因素的影響，而且實測的是測速垂線表面流速(根據(jù)比測資料可換算成垂線平均流速)，因此有可能出現(xiàn)較大的誤差。特別是對于流速<0.3 m/s的靠近岸邊部分的測速垂線，由于流速偏小(達到了儀器設(shè)備的臨界測量值)、回波強度弱等原因，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)誤差會更大，甚至出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)。

非接觸式雷達波測流方法由于測流傳感器不需要入水，近幾年在山區(qū)性河道、中小河流、常規(guī)測站高洪測驗中得到較大應(yīng)用[5]。隨著非接觸式雷達波測流技術(shù)的推廣應(yīng)用，針對上述情況，迫切需要一種適合非接觸式雷達波測流模式下的河道流量計算方法。

3.3 算法實現(xiàn)

針對上述非接觸式雷達波測流應(yīng)用面臨的技術(shù)問題，為解決流量計算的難題，研究開發(fā)了一種河道流量計算方法：基于測流斷面實測流量成果(垂線流速數(shù)據(jù))，計算繪制測站垂線平均流速歸一標準曲線及外包線，以此對非接觸式雷達波測流測速成果數(shù)據(jù)(代表垂線表面流速數(shù)據(jù))進行歸一處理，從而完成非接觸式雷達波測流方式下的流量計算。

本算法提供一種基于測流斷面中泓垂線平均流速歸一算法的河道流量計算方法，具體實現(xiàn)步驟如下：

3.3.1 收集測流斷面測流成果原始資料

包括纜道測深、測速流記載及流量計算表，整理測速垂線的垂線平均流速橫向分布成果表，要求相應(yīng)水位涵蓋高、中、低水，以中高水位為主，要求測流次數(shù)不少于25次。

3.3.2 歸一標準曲線計算

1) 根據(jù)整理的測速垂線的垂線平均流速橫向分布成果表及測流斷面大斷面資料，定位中泓位置測速垂線。

3) 根據(jù)樣本資料計算測站垂線平均流速歸一標準曲線：歸一標準曲線各測速垂線對應(yīng)數(shù)值采用全樣本系列對應(yīng)位置的算術(shù)平均值。

3.3.3 繪制平均流速橫向分布圖

根據(jù)測速垂線的垂線平均流速橫向分布歸一成果表，繪制樣本系列歸一后的垂線平均流速橫向分布圖，以及測站垂線平均流速歸一標準曲線圖。

3.3.4 確定歸一標準曲線的外包線

1) 根據(jù)上述結(jié)果表，檢查分析原始資料奇異特征點，對于同一測速垂線位置最大、最小值大于30%的測點進行奇異值分析(必要時舍棄)；舍棄后應(yīng)重新計算歸一標準曲線。

2) 根據(jù)上述結(jié)果表確定歸一標準曲線的上包線、下包線。

3.3.5 流速數(shù)據(jù)的歸一化處理及數(shù)據(jù)自校正

非接觸式雷達波測流方式測速垂線流速數(shù)據(jù)的歸一化處理及數(shù)據(jù)自校正按照以下步驟方法進行。

1) 選擇非接觸式雷達波測流數(shù)據(jù)，對測速垂線進行歸一化處理。

2) 將計算結(jié)果與歸一化標準曲線進行比對，對超出外包線的數(shù)據(jù)進行糾正。

3) 流量計算：將通過歸一標準曲線糾正后的垂線流速數(shù)據(jù)，結(jié)合測流斷面大斷面資料，重新進行流量計算。

3.3.6 計算機編程及對雷達波測流自動控制的反饋

將上述步驟進行計算機編程(以DLL形式供雷達波自動測流主控程序調(diào)用)，實現(xiàn)雷達波測流方式下的基于測流斷面中泓垂線平均流速歸一算法的河道流量計算。實際應(yīng)用中，除構(gòu)筑物固定安裝雷達波測流方式外，雙軌纜道牽引式代表垂線法、自驅(qū)式代表垂線法等雷達波測流方式均是從左岸邊往右岸邊或者從右岸邊往左岸邊往返移動進行，一次測流過程完成后，調(diào)用本專利技術(shù)計算程序模塊，計算出本次自動測流的最終流量成果，并完成最終的自動測流過程。

3.3.7 新建測站歸一化標準曲線的確定

1) 對于新建測站，由于缺少測流成果原始資料，可采用纜道或水文測船流速儀、走航ADCP(多普勒剖面流速儀)等方法，應(yīng)急完成3～5次流量測驗，整理測速垂線的垂線平均流速橫向分布成果表(作為初步資料臨時使用，后續(xù)根據(jù)水位分級逐步完善)。

2) 根據(jù)測站類型(一類精度站、二類精度站、三類精度站)確定歸一標準曲線的外包線；一類精度站、二類精度站、三類精度站的外包線默認值分別為±8%、±12%和±15%，對于測站控制條件較差、點據(jù)散亂的測站可適當放寬。

3) 待逐步積累測流成果原始資料后，按照前述步驟進行歸一化標準曲線及外包線的確定。

該算法有益之處在于：提供了一種基于測流斷面中泓垂線平均流速歸一標準曲線及外包線進行河道流量計算的方法；該方法能夠有效排除因暴雨、突發(fā)風(fēng)沙影響導(dǎo)致的流速測驗奇異值。此外，對于岸邊測速垂線流速偏小、回波強度弱等狀況導(dǎo)致的流量成果與標準值出現(xiàn)跳變的情況，也能起到較好的修復(fù)效果。

4 比測成果分析

4.1 大路鋪水文站比測情況

根據(jù)《水文巡測規(guī)范》(SL 195-2015)和《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)中對測流測次要求，大路鋪水文站于2020年4月開始比測工作。2020年纜道流速儀實測流量資料共30次，摘錄雷達波測流系統(tǒng)測流資料共50次[14-15]。樣本系列中，流速儀實測最高水位48.52 m，實測最低水位47.01 m；實測最大流量250.2 m3/s，最小流量2.6 m3/s。雷達波在線監(jiān)測系統(tǒng)獲得的最高水位為48.52 m、獲得的最低水位為47.01 m、獲得的最大流量為249 m3/s，獲得的最小流量為2.3 m3/s。

大路鋪水文站為山溪性小河，漲落率大，測流時，存在纜道流速儀測流時間同雷達波測流時間(3個探頭RG30、HR、S3)難以同步問題，導(dǎo)致了其測流時的水位、面積不同，造成較多的流量誤差問題。為了解決該問題，大路鋪站不是進行同水位(因水位不同)流量間分析，而是采用線與線間進行分析，即流速儀實測水位流量關(guān)系線同雷達波施測水位指標流量關(guān)系線進行分析。

4.1.1 纜道流速儀實測流量分析

根據(jù)實測的30次纜道流速儀流量資料，對水位流量關(guān)系進行率定，并進行了三線檢驗(表1)，其系統(tǒng)誤差為0.7%，標準差為±4.8%，誤差滿足規(guī)范要求。

表1 大路鋪站流速儀測流水位-流量關(guān)系曲線檢驗計算表

4.1.2 雷達波在線測流系統(tǒng)資料分析

根據(jù)實測的50次雷達波在線測流系統(tǒng)指標流量資料，分別建立3個探頭(RG30、HR、S3)的指標流量與相應(yīng)水位的相關(guān)關(guān)系。從分析圖可以看出，探頭(RG30)的指標流量與相應(yīng)水位的線性相關(guān)關(guān)系最好，見圖2。

圖2 大路鋪水文站水位、指標流量(RG30)關(guān)系圖

4.1.3 雷達波在線測流系統(tǒng)相應(yīng)水位、指標流量率定分析

根據(jù)實測的50次雷達波在線測流系統(tǒng)指標流量(探頭RG30)資料，對水位流量關(guān)系進行率定，其中32次流量誤差較大。經(jīng)過分析，本次流量舍棄，并進行三線檢驗(表2)，其系統(tǒng)誤差為-0.3%，標準差為±4.9%，誤差滿足規(guī)范要求。

表2 大路鋪站非接觸式雷達波測流水位-流量關(guān)系曲線檢驗計算表

4.2 雷達波在線測流系統(tǒng)系數(shù)分析

根據(jù)率定的水位、流量關(guān)系曲線，統(tǒng)計相同水位下的雷達波指標流量與纜道流速儀流量，分別計算出不同水位下的Ki系數(shù)，并點繪相應(yīng)水位與雷達波系數(shù)Ki關(guān)系曲線圖。根據(jù)點繪的大路鋪站水位-雷達波系數(shù)關(guān)系圖，查出各級水位下的雷達波系數(shù)，對水位-雷達波系數(shù)進行率定，并進行三線檢驗(表3)，其系統(tǒng)誤差為-0.5%，標準差為±3.4%，誤差滿足規(guī)范要求。

表3 大路鋪站水位-雷達波關(guān)系曲線檢驗計算表

5 結(jié) 論

綜合上述分析，本文研究結(jié)論如下：

1) 非接觸式雷達波測流系統(tǒng)的抗外界干擾能力強，系統(tǒng)觀測時探頭不與水接觸，避免了水流紊動及水面漂浮物的影響；測流儀器配套部件安裝牢固且電纜線做了防水處理，保障了儀器可以長期安全穩(wěn)定運行，具有日常運行成本較低、安裝起來簡便、維護費用少、采集數(shù)據(jù)快捷、實時等優(yōu)點。河道流量人工無法測驗的問題得到有效解決，在野外惡劣觀測環(huán)境下可以實現(xiàn)真正的無人值守。

2) 按照《水文資料整編規(guī)范》( SL 247-2012)，對大路鋪水文站非接觸式雷達波在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與纜道實測數(shù)據(jù)進行三線檢驗，其精度指標符合定線要求。

3) 利用系統(tǒng)對所獲取的水位、流量等數(shù)據(jù)資料進行資料整編，提升了整編的質(zhì)量和效率，最大程度減小資料錄入的差錯。