智能浮標(biāo)測流系統(tǒng)在遼寧地區(qū)流速系數(shù)的測定

崔 巍

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

超標(biāo)準(zhǔn)洪水現(xiàn)有測量形式為無人機(jī)投放自制簡易浮標(biāo)、投浮索投放簡易浮標(biāo)、觀測中泓浮標(biāo)、比降面積推流等方式[1]。這些測量形式存在超標(biāo)洪水觀測攜帶的全站儀等儀器設(shè)備多，測量位置局限，受惡劣天氣影響誤差較大，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理上報(bào)效率低等弊端[2]。我國浮標(biāo)測流技術(shù)起步較早，但對(duì)浮標(biāo)測流技術(shù)的研究與國外其他先進(jìn)國家還有一定程度的差距[3]，主要在浮標(biāo)承載設(shè)備指標(biāo)、觀測誤差上存在一些差距，當(dāng)前國內(nèi)的浮標(biāo)測流系統(tǒng)傳感器采用自主研發(fā)技術(shù)的還較少，主要還是采用國外進(jìn)口傳感器。此外在衛(wèi)星通信上面也存在一定差距，近些年來，北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在國內(nèi)許多地區(qū)河流流量測驗(yàn)中得到具體應(yīng)用[4-12]，但在浮標(biāo)測流上應(yīng)用還較少，為此文章基于北斗衛(wèi)星作為通信信道，結(jié)合遙測技術(shù)構(gòu)建智能浮標(biāo)測流系統(tǒng)，并首次在遼寧地區(qū)進(jìn)行比測分析，研究成果對(duì)于超標(biāo)洪水自動(dòng)化、便捷化、實(shí)效化測報(bào)能力的提升具有重要的研究意義。

1 智能浮標(biāo)集成裝置組件

1.1 浮標(biāo)設(shè)計(jì)

智能浮標(biāo)設(shè)計(jì)及定位采用3D打印技術(shù)，綜合考慮了超標(biāo)洪水波浪運(yùn)移翻滾等綜合條件，在浮標(biāo)外形上充分針對(duì)河流超標(biāo)水體特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用流線型設(shè)計(jì)，入水部分采用磨砂工藝來增大外殼摩擦力，大幅避免了浮標(biāo)與水體移動(dòng)形成的數(shù)據(jù)變差。

在防水設(shè)計(jì)上對(duì)流線型外殼進(jìn)行了專門的防水設(shè)計(jì)，達(dá)到了IPX5級(jí)防水，避免了可能出現(xiàn)漏水和滲水等現(xiàn)象，保護(hù)了浮標(biāo)內(nèi)部的電子設(shè)備。外殼采用高強(qiáng)度環(huán)保工程塑膠，產(chǎn)品尺寸僅有20cm，重量僅0.5kg。浮標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 浮標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 定位模塊

衛(wèi)星定位模塊優(yōu)先采用國內(nèi)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確度、實(shí)施有效性以及通信功能都有很多優(yōu)勢，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有短報(bào)文通信這一特殊功能，可以保障重要區(qū)域信息的安全穩(wěn)定傳輸，在國內(nèi)的信號(hào)覆蓋程度也較高，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)河流的信號(hào)覆蓋，且傳輸通信性價(jià)比也非常高，但其單次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量相對(duì)較低。衛(wèi)星定位模塊利用差分定位原理，以北斗通信模塊為主，GPS通信模塊為輔，提供亞米級(jí)的高精度定位功能，保障了數(shù)據(jù)的精度；定位終端融合了GSM網(wǎng)絡(luò)及北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位技術(shù)，具有設(shè)備實(shí)時(shí)定位追蹤、軌跡回放、位移、越界及震動(dòng)報(bào)警功能，搭配手機(jī)端及電腦端位置服務(wù)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制管理及客戶端應(yīng)用。

1.3 數(shù)據(jù)收發(fā)

采用4G通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，保障了數(shù)據(jù)高傳輸速率安全可靠的數(shù)據(jù)通信模塊，實(shí)現(xiàn)雙向交互通信，為保障鏈路暢通，傳感器優(yōu)先考慮了高精度、高可靠、少耗電等功效，集成控制智能模塊式設(shè)計(jì)，即時(shí)控制開關(guān)，簡易開啟即開始接收衛(wèi)星、自動(dòng)定位、數(shù)據(jù)收發(fā)等工作的運(yùn)行。

1.4 數(shù)據(jù)算法

流速儀法按照測量原理分為旋槳式流速儀、電磁式流速儀、超聲波流速測算儀，精度相對(duì)于傳統(tǒng)浮標(biāo)法要高，適用于測流環(huán)境比較好的情況，當(dāng)發(fā)生大水或者水體較為復(fù)雜時(shí)，會(huì)發(fā)生較大的系統(tǒng)偏差。智能浮標(biāo)放在河流中順?biāo)羞M(jìn)，浮標(biāo)內(nèi)部定位及通信模塊每隔1秒采集一次浮標(biāo)位置，發(fā)送到中心的監(jiān)測軟件上，監(jiān)測軟件收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，去除無效數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后根據(jù)水流特征算法對(duì)流速和流向進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的結(jié)果顯示在監(jiān)測軟件上。GPS定位系統(tǒng)不僅可以獲得接收機(jī)的空間位置，還可以求得接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。首先對(duì)測流浮標(biāo)系統(tǒng)的位置進(jìn)行定位，其中L、B、H分別表示經(jīng)緯度和高程。通過高斯投影方法對(duì)定位系統(tǒng)采集的高程和經(jīng)緯度進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。通過系統(tǒng)接收機(jī)所在位置來對(duì)其測定的水流流速進(jìn)行位移求導(dǎo)，結(jié)合在t1和t2兩個(gè)假定計(jì)算時(shí)刻接收機(jī)的坐標(biāo)位置Xi(t1)和Xi(t2)進(jìn)行速度的轉(zhuǎn)換計(jì)算：

(1)

接收機(jī)的綜合速率V計(jì)算方程為

(2)

2 遼寧地區(qū)不同類型河道比測分析

根據(jù)不同的起點(diǎn)距拋投多個(gè)智能浮標(biāo)，通過計(jì)算垂線流速計(jì)算流量。對(duì)遼寧省多條山丘區(qū)河流及平原區(qū)河流分別采用流速儀法、ADCP結(jié)合智能浮標(biāo)，根據(jù)GB 50179—2015《河道流量測驗(yàn)規(guī)范》開展智能浮標(biāo)流速系數(shù)測驗(yàn)工作，并進(jìn)行相關(guān)分析，推求智能浮標(biāo)流速系數(shù)。

2.1 智能浮標(biāo)流速系數(shù)測定分析

浮標(biāo)流速系統(tǒng)受測流外界條件影響較多，流量主要通過流速和測流過水?dāng)嗝婷娣e間接計(jì)算得到。過水?dāng)嗝娴臏y流橫斷面為其河流的中泓線，中泓浮標(biāo)測流流速主要從其上下游斷面進(jìn)行水面流速平均值的測定和計(jì)算，用該流速和斷面面積進(jìn)行累積相乘得到斷面虛流量值，中泓浮標(biāo)測流流速系數(shù)的精準(zhǔn)和穩(wěn)定決定了測流的精度，利用河槽改正系數(shù)KW對(duì)流速系數(shù)的校正，進(jìn)一步推求流速量系數(shù)，計(jì)算方程為

KW=Af/Ac

(3)

Af=(Au+4Am+A1)/6

(4)

式中，KW—河槽改正系數(shù)；Af—浮標(biāo)測流河段平均斷面面積，m2；Ac—流速儀測流斷面面積，m2；Au—浮標(biāo)上斷面面積，m2；Am—浮標(biāo)中斷面面積，m2；A1—浮標(biāo)下斷面面積，m2。主要對(duì)其測流誤差進(jìn)行控制，采用比測分析方式結(jié)合人工測定值和浮標(biāo)測流值進(jìn)行誤差的擬合分析，擬合度越高，表明其誤差程度越低，反之誤差較大，誤差R2計(jì)算方程為

R2=ssreg/sstotal

(5)

式中，sstotal—總平方和；ssreg—回歸平方和。結(jié)合流速系數(shù)計(jì)算和誤差分析方法，對(duì)遼河段、渾河段平原區(qū)、太子河段山丘區(qū)及部分遼西山地丘陵區(qū)中小河流進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)比測分析，確定智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法流速系數(shù)，比測結(jié)果見表1。

表1 不同河段智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法流速系數(shù)表

從不同河段智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法流速系數(shù)比測分析結(jié)果可看出，采用智能浮標(biāo)系數(shù)下測定的流量誤差均在±5%以內(nèi)，滿足GB 50179—2015流量比測的精度要求，不同河段的中泓一點(diǎn)法流速系數(shù)具有較為明顯的河道地形特征，這主要是因?yàn)橹秀稽c(diǎn)法流速系數(shù)和河道流速具有較高的相關(guān)性，最大流速越高，其中弘一點(diǎn)法流速系數(shù)也相對(duì)較高。遼河段的流速系數(shù)總體在0.25～0.63，最低的為遼中水文站，福德店水文站的流速系數(shù)最高。渾河和太子河河段主要流經(jīng)遼寧的沈陽、遼陽、本溪等城市段，選取的各比測水文站的中弘一點(diǎn)法流速系數(shù)也較高，小林子水文站流速系數(shù)最低；遼陽水文站的最高，為0.71。平原區(qū)河段水文站中，大河泡站由于坡度較平，最大流速也較低，其流速系數(shù)也最低；彰武水文站的流速系數(shù)最高，達(dá)到0.80。從山丘區(qū)中小河流水文站的流速系數(shù)介于0.29～0.69，南口前的流速系數(shù)最高，東陵水文站流速系數(shù)最低。

2.2 智能浮標(biāo)綜合流速系數(shù)計(jì)算

在不同河段智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法流速系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)不同最大流速區(qū)間下各河段的智能浮標(biāo)綜合流速系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法綜合流速系數(shù)表

從智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法綜合流速系數(shù)可看出，遼河、渾河、太子河不同最大流速下的流速系數(shù)不同，當(dāng)最大流速為0.5～1.0m/s時(shí)，渾河段流速系數(shù)最高，達(dá)到0.81，且平原區(qū)中小河流明顯高于山丘區(qū)中小河流的流速系數(shù)。當(dāng)最大流速為1.0～2.0m/s時(shí)，各河段流速系數(shù)較為接近。當(dāng)最大流速高于2.0m/s時(shí)，遼河段的流速系數(shù)最低，渾河和太子河河段流速系數(shù)相同，除最大流速為1.5～2.0m/s，平原區(qū)中小河流流速系數(shù)總體高于山丘區(qū)中小河流流速系數(shù)。綜合流速系數(shù)取值可依據(jù)超標(biāo)洪水現(xiàn)場外部條件等各種因素綜合上下浮動(dòng)。

3 結(jié)語

(1)文章結(jié)合比測分析方法，給出了不同最大流速范圍內(nèi)的遼河、渾河、太子河河段以及平原區(qū)和山丘區(qū)中小河流的智能浮標(biāo)中泓一點(diǎn)法綜合流速系數(shù)，在具體應(yīng)用時(shí)水流出槽漫灘后，建議對(duì)其綜合流速系數(shù)進(jìn)行削減調(diào)整，并依據(jù)超標(biāo)洪水現(xiàn)場外部條件等各種因素綜合上下浮動(dòng)。

(2)智能浮標(biāo)可通過SIM卡將測得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺(tái)，現(xiàn)場工作人員和非現(xiàn)場工作人員可以同時(shí)看到測報(bào)成果，提高了極端天氣和超標(biāo)洪水測報(bào)的數(shù)據(jù)獲取的便捷程度。

(3)對(duì)于水勢較陡的山區(qū)河流高洪應(yīng)急測流情況，由于其流量隨機(jī)性較強(qiáng)，測驗(yàn)難度和精度也會(huì)受到影響，建議多次測量并對(duì)流速進(jìn)行實(shí)時(shí)比測分析。