定點雷達測流系統(tǒng)在大斷面、山區(qū)性河流測流中的應(yīng)用

蘇 軍

(第八師石河子市水利工程管理服務(wù)中心，新疆 石河子，832000)

0 引言

水文監(jiān)測是防御洪災(zāi)十分重要的非工程措施，傳統(tǒng)水文站大都依靠人力，存在操作復(fù)雜、測流效率低、洪水期安全威脅大、高位測驗及時性差、年久失修等問題，嚴(yán)重時還可能威脅測報人員的生命安全，造成不可逆的財產(chǎn)損失。此外，山區(qū)性河流測流時還會因水位暴漲暴落、漂浮物、滾石等影響測流精度。如何更好地實現(xiàn)大斷面、山區(qū)性河流的自動測流，實現(xiàn)水文站“無人值班、少人值守”的運維目標(biāo)，從而實現(xiàn)建設(shè)成本更經(jīng)濟、測流工作更高效、日常運維更便捷。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，測流方式更加豐富多樣，定點雷達測流技術(shù)作為一種新的測流方式正不斷引進并使用。定點雷達測流系統(tǒng)是一種非接觸式測流系統(tǒng)，采用非接觸方法測量流速，測量時不會受到水中泥沙含量、污染物濃度、水面漂浮物、天氣環(huán)境等影響。系統(tǒng)不僅適用于一般河流的自動測流，還滿足污水、山區(qū)性河流等的流量測量，解決了無人值守條件下山區(qū)性暴漲暴落河流流量自動測驗難題，具有廣闊的市場前景和社會價值[1]。

定點雷達測流系統(tǒng)由雷達水位計、雷達流速儀、遙測終端機、太陽能供電系統(tǒng)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器和管理平臺軟件等組成。系統(tǒng)采用多個雷達流速儀探頭，將測水?dāng)嗝娣指畛啥鄠€測量區(qū)，利用雷達流速儀探頭測得各測量垂線水面的表面流速，利用雷達水位計測得當(dāng)前水位，遙測終端機利用串行通信方式完成各水位、流速等數(shù)據(jù)的集中采集，并通過4G/5G/北斗通信等方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心采集軟件，管理平臺軟件根據(jù)各垂線起點距位置、斷面工況等水工數(shù)據(jù)，利用水力學(xué)計算公式完成斷面過水面積和流量的計算，管理平臺還能夠結(jié)合人工率定的成果進行數(shù)據(jù)的修正和校準(zhǔn)，進一步提高測流精度。

1 技術(shù)方案

1.1 建設(shè)目標(biāo)

充分利用物聯(lián)感知、移動互聯(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)、GIS技術(shù)等先進科學(xué)技術(shù)，結(jié)合多普勒效應(yīng)、水力學(xué)等相關(guān)理論知識，打造一套測量精準(zhǔn)、維護方便、互動性強的自動測流系統(tǒng)，從而提高測流精度和工作效率，降低建設(shè)和運維成本，保護相關(guān)人員的生命財產(chǎn)安全。

1.2 通信方案

定點雷達測流系統(tǒng)采用雷達波技術(shù)測量水位及表面流速，借助鋼桁架或索道把雷達傳感器布設(shè)到斷面相應(yīng)位置。傳感器通過RS485總線連接到遙測終端機。遙測終端機內(nèi)置無線通信模塊或外接DTU，通過無線網(wǎng)絡(luò)將測流數(shù)據(jù)送至中心站，組成一整套定點雷達測流系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。

圖1 定點雷達測流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架

1.3 雷達測流原理

雷達波流速儀測速的原理是應(yīng)用多普勒效應(yīng)(即移動物體對所接收的電磁波有頻移的效應(yīng))，根據(jù)接收到的反射波頻移量計算得出被測物體的運動速度。

在實際應(yīng)用中，固定旋轉(zhuǎn)式雷達測流儀位于水面上方，以一定的俯角向水面發(fā)射雷達波，并接收從水面返回的雷達波信號，根據(jù)雷達波反射特性和多普勒測速特性，回波信號的頻率變化與水面流速成正比關(guān)系，傳感器通過檢測頻率變化得到水面流速。計算公式如下[2]：

式中：V為水面流速；f0為發(fā)射聲波頻率；fD為多普勒頻移量(頻率差)；C為電波在空氣中傳播速度；θ為發(fā)射波與水流方向的夾角，是俯角和方位角的合成。

1.4 供電方案

由于水文站往往比較偏遠，供電采用“光伏組件+蓄電池浮充”或風(fēng)光互補的供電方式，在設(shè)計容量時，需充分考慮當(dāng)?shù)氐墓庹蘸蜌夂驐l件，至少能夠滿足不少于15個連續(xù)陰雨天的使用需求。理論計算過程如下：

(1)設(shè)備使用總電流I=W[總設(shè)備功率]/V[使用設(shè)備電壓]

(2)蓄電池容量Ah=I×H放[每天放電時間]×(D[連續(xù)陰雨天數(shù)]+1)÷80%[蓄電池放電預(yù)留]×120%[線纜損耗]

(3)蓄電池組數(shù)量n=V/12[蓄電池電壓]

(4)蓄電池總?cè)萘緼h總=mAh×n

(5)太陽能電池板功率Wp÷18V[太陽能電池板充電電壓]=(I×H放[每天放電時間]×120%[電池板功率])÷H光[每天光照時間]

(6)太陽能電池板實際功率Wp實際=Wp×120%[線纜損耗]

(7)電池板數(shù)n電池板=V/12[電池板電壓]

(8)電池板總功率Wp總功率=Wp實際×n電池板

1.5 安裝方案

在進行大斷面或山區(qū)性河流的流量測量時，需充分考慮現(xiàn)場的安裝條件和建設(shè)成本，既要保證雷達波設(shè)備的安裝滿足測流要求，又要最大程度地降低建設(shè)成本，目前常用鋼桁架和索道兩種安裝方式。

鋼桁架安裝方式適用于斷面寬度不超過50m，方便制作測橋基礎(chǔ)和鋼桁架施工的河道。雷達流速儀安裝間距根據(jù)設(shè)備發(fā)射角和斷面寬度進行布設(shè)，雷達水位計要求能夠測得所選斷面最低可測水位。鋼桁架安裝站點實拍如圖2所示。

圖2 鋼桁架安裝站點實拍

索道安裝方式適用于大斷面流量測量，制作鋼桁架成本高，施工難度大。雷達波傳感器采用專用的安裝支架固定在鋼索上，安裝穩(wěn)固，不受大風(fēng)或其他環(huán)境因素影響，雷達流速儀安裝間距根據(jù)設(shè)備發(fā)射角和斷面寬度進行布設(shè)，雷達水位計要求能夠測得所選斷面最低可測水位。索道安裝站點實拍如圖3所示。

圖3 索道安裝站點實拍

2 功能特點

相較于傳統(tǒng)的水文站，定點雷達測流系統(tǒng)具備以下功能特點：

(1)采用非接觸式雷達波測量方法，站點建成后可根據(jù)設(shè)定的監(jiān)測頻率自動完成測流，測流效率高，基本不需要人工參與。

(2)區(qū)別于“一點代面”的測量方法，系統(tǒng)采用多個雷達流速儀進行測流斷面各垂線表面流速的自動監(jiān)測，利用水力學(xué)公式可更為精確地計算出斷面的瞬時流量。

(3)系統(tǒng)可以根據(jù)斷面情況和水位變化，制定個性化的垂線布設(shè)方案和測流垂線數(shù)。

(4)系統(tǒng)預(yù)留率定校核系數(shù)，運維人員可根據(jù)人工率定的成果調(diào)整相關(guān)系數(shù)，進一步提高測流精度。

(5)具有豐富多樣的測流模式，包括定時施測、異常加報施測、低水位停測等工作模式。

(6)具備數(shù)據(jù)實時上傳和斷網(wǎng)續(xù)傳的數(shù)據(jù)傳輸模式，單次測流工作完成后，將水位、各垂線流速、測次、起止時間、垂線數(shù)、垂線起點距、垂線流速以及系統(tǒng)運行參數(shù)等成果信息發(fā)送至中心管理平臺統(tǒng)一處理。

(7)具備強大的數(shù)據(jù)存儲能力，可存儲上萬條測流數(shù)據(jù)，存滿后自動向前覆蓋數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能通過U盤或遠程下載，下載生成文本文件并直接參與資料整編。

(8)具有短信報警功能，如雷達流速測驗異常、雷達探頭收回(或轉(zhuǎn)動)異常、蓄電池缺電等短信報警。

(9)具有聯(lián)網(wǎng)自動校時功能，系統(tǒng)時間嚴(yán)格與北京時間同步。

(10)具有遠程設(shè)參功能，配套藍牙模塊。

3 比測率定

3.1 比測方法

依據(jù)《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》(SL 337-2006)[3]有關(guān)規(guī)定及相關(guān)技術(shù)要求，須開展指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系的比測率定工作。系統(tǒng)可采用定點雷達測流系統(tǒng)中站點流量數(shù)據(jù)與該站點歷年水位-流量關(guān)系曲線進行比測，通過同一水位下瞬時流量的系數(shù)關(guān)系，修正監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高雷達測流的準(zhǔn)確性。

以蘑大引洪渠水文站為例，為率定定點雷達測流站點的流量系數(shù)，采用比測方法如下：

(1)通過在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取蘑大引洪渠水文站不同水位對應(yīng)瞬時流量，然后與水位-流量關(guān)系曲線進行比測，得出流量系數(shù)，見表1。

表1 同一水位在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與水位-流量關(guān)系曲線流量對比

(2)通過在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取蘑大引洪渠水文站同一水位對應(yīng)的瞬時流量，計算其平均值，然后與水位-流量關(guān)系曲線進行比測，得出流量系數(shù)，見表2。

表2 同一水位在線監(jiān)測系統(tǒng)平均數(shù)據(jù)與水位-流量關(guān)系曲線流量對比

3.2 比測數(shù)據(jù)分析

得出流量系數(shù)后，為更準(zhǔn)確地得出在線監(jiān)測系統(tǒng)的流量修正系數(shù)，需進行誤差分析。將率定出的流量系數(shù)(k=0.98和k=0.99)與水位-流量關(guān)系曲線進行計算，得到計算流量，再與同一水位下在線監(jiān)測系統(tǒng)的瞬時流量進行誤差分析，得誤差結(jié)果，見表3、圖4、表4及圖5。

(1)k=0.99，計算流量與查線流量誤差情況和趨勢曲線如下：

表3 計算流量與查線流量誤差分析(k=0.99)

圖4 計算流量與曲線查線流量誤差趨勢(k=0.99)

(2)k=0.98，計算流量與查線流量誤差情況和趨勢曲線如下：

表4 計算流量與查線流量誤差分析(k=0.98)

圖5 計算流量與曲線查線流量誤差趨勢(k=0.98)

通過查線流量與不同系數(shù)計算得出計算流量，與在線監(jiān)測瞬時流量進行誤差分析，得出當(dāng)系數(shù)為0.99時的誤差為0.42%，系數(shù)為0.98時的誤差為1.45%。

3.3 比測結(jié)論

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2020)[4]，分析比測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，k=0.99時，蘑大引洪渠水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)及趨勢曲線與水位-流量關(guān)系曲線基本一致，也表明定點雷達監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備性能可靠，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能夠高質(zhì)量地完成河流的量測水任務(wù)。

4 結(jié)語

定點雷達波測流系統(tǒng)是集測流、無線傳輸、測驗數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)站發(fā)布、業(yè)務(wù)處理于一體的全自動流量測驗系統(tǒng)。站點測量時不會受到水中泥沙含量、污染物濃度、水面漂浮物、天氣環(huán)境等影響，特別適合大斷面、山區(qū)性河流的自動測流。在水文系統(tǒng)面臨站點多、人員少、建設(shè)投資受限、人工測流難度大危險系數(shù)高等困難時，定點雷達測流系統(tǒng)是實現(xiàn)“無人值守、少人值班”較為理想的選擇。

目前，定點雷達測流系統(tǒng)已在“新疆兵團大江大河水文監(jiān)測系統(tǒng)(一期)建設(shè)工程”等項目中得到了應(yīng)用，所有站點均已建設(shè)完成并投入運行，數(shù)據(jù)實時上傳至項目監(jiān)測管理中心，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用情況良好。