側(cè)掃雷達(dá)在線測(cè)流系統(tǒng)研究與應(yīng)用

鄒 巍，胡春杰，嵇海祥，郁 婷

（1.江蘇南水科技有限公司,江蘇 南京 210012；2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所,江蘇 南京 210012）

0 引言

河道流量測(cè)量是水文工作的重要內(nèi)容之一,涉及防洪安全、水文水利計(jì)算、水資源評(píng)價(jià)等各個(gè)方面,對(duì)掌握水情與水資源狀況,進(jìn)行防汛減災(zāi)、調(diào)配水資源的基礎(chǔ)建設(shè)具有十分重要意義。目前面對(duì)特大洪水的河道流量監(jiān)測(cè)手段很少,傳統(tǒng)的流量監(jiān)測(cè)手段都是基于接觸式測(cè)量,常用設(shè)備包括機(jī)械型轉(zhuǎn)子式流速儀、浮標(biāo)法、ADCP 等,并且該類測(cè)量設(shè)備必須浸于水體,人工參與度高,測(cè)量周期長(zhǎng),汛期危險(xiǎn)性高,因此常規(guī)測(cè)驗(yàn)手段無(wú)法完成應(yīng)急測(cè)量任務(wù)[1-3]。

側(cè)掃雷達(dá)在線測(cè)流系統(tǒng)是一種新型的河流流量監(jiān)測(cè)技術(shù),能實(shí)現(xiàn)大江大河的流量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用非接觸式雷達(dá)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)河流表面流速進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),并提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù),通過(guò)水位、過(guò)流面積、斷面表面流速比的數(shù)據(jù)交互,完成流量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合成,從而實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)自動(dòng)河流流量監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸。其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),受氣象條件影響很小,不僅適用于常規(guī)流量監(jiān)測(cè),而且適用于惡劣天氣、應(yīng)急測(cè)量、高洪多漂浮物、漫灘、河面結(jié)冰（初期薄冰）等惡劣環(huán)境的流量監(jiān)測(cè)。

本文針對(duì)側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流過(guò)程中所要注意和處理的技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)探討,并結(jié)合水利部水文司組織“新技術(shù)在水文測(cè)報(bào)中的研發(fā)推廣”之“基于側(cè)掃雷達(dá)的在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)示范”專題研究工作,在云南允景洪水文站安裝了側(cè)掃雷達(dá)在線測(cè)流系統(tǒng)。通過(guò)水文纜道牽引SONTEK-M9 型走航式ADCP 獲取河流斷面流速,開(kāi)展比測(cè)分析。

1 側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流工作原理

側(cè)掃雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)速,充分地利用了水流表面的Bragg 散射特性,當(dāng)側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流儀發(fā)射的電磁波信號(hào)投射到水面時(shí),會(huì)與水面的波浪發(fā)生相互作用。當(dāng)波浪長(zhǎng)度是電磁波波長(zhǎng)的一半時(shí),會(huì)對(duì)電磁波信號(hào)產(chǎn)生最強(qiáng)的后向散射。利用水流表面的Bragg 散射特性來(lái)獲取河流表面多個(gè)分單元流速[4],根據(jù)有效單元流速推出平均流速；結(jié)合同步監(jiān)測(cè)水位,根據(jù)河流斷面資料獲得實(shí)時(shí)過(guò)流面積,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量在線監(jiān)測(cè)。

雷達(dá)安裝在河岸上,天線主軸垂直于河流,可根據(jù)設(shè)定定時(shí)或?qū)崟r(shí)進(jìn)行表面流場(chǎng)測(cè)速,不僅提供斷面平均流速,還提供表面流場(chǎng)的二維各網(wǎng)格點(diǎn)流速流向,側(cè)掃雷達(dá)測(cè)量單元示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 側(cè)掃雷達(dá)測(cè)量單元示意圖

側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流儀測(cè)量斷面流速并將流速數(shù)據(jù)發(fā)送到云端的數(shù)據(jù)平臺(tái),數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)斷面資料、水位和流速數(shù)據(jù)合成流量數(shù)據(jù)。

從每個(gè)距離段的回波頻譜提取出水體的表面流速,依據(jù)頻譜的信噪比計(jì)算置信度,每個(gè)距離段的表面流速和置信度就是測(cè)流系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按距離排序,同時(shí)計(jì)算出平均表面流速v 表面和總置信度。

根據(jù)指標(biāo)流速法將平均表面流速與實(shí)測(cè)流速建立相關(guān)關(guān)系,進(jìn)而求出斷面流量。

式中：Q為過(guò)水?dāng)嗝媪髁?；A為斷面面積；k為表面流速與實(shí)測(cè)流速的相關(guān)系數(shù)。

圖2 側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)組成

側(cè)掃雷達(dá)在線測(cè)流系統(tǒng)主要由1 組發(fā)射天線、3 組接收天線、1 個(gè)綜合機(jī)箱、4 根饋線電纜、1 個(gè)支撐架、1 根電源線及1 根數(shù)據(jù)接口線組成。綜合機(jī)箱中有1 個(gè)發(fā)射模塊、1個(gè)3 通道接收模塊、1 塊3 通道信號(hào)處理板、1 個(gè)電源、1 個(gè)接口板及信息處理軟件等組成。

圖3 側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)組成

3 數(shù)據(jù)比測(cè)分析

3.1 側(cè)掃雷達(dá)表面流速比測(cè)

采用水文纜道牽引走航式ADCP（M9）在斷面下游約26 m 處進(jìn)行往返2 個(gè)測(cè)回得到4 次流量,將4 次流量取得的表層流速橫向分布數(shù)據(jù)投影至側(cè)掃雷達(dá)測(cè)驗(yàn)斷面,分別計(jì)算側(cè)掃雷達(dá)獲取指標(biāo)流速各測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的ADCP 水面流速均值,通過(guò)比對(duì)高水測(cè)次、中水測(cè)次、低水測(cè)次流速分布情況如下：

（1）高水測(cè)次分析成果

2021 年5 月14 日,測(cè)時(shí)水位538.29 m,屬于高水位級(jí),比測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。從圖4 可以看出,高水位級(jí)時(shí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速相較ADCP 表層流速分布右岸偏小,從右岸向左岸偏大程度遞增。

表1 高水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)與M9 型走航式ADCP 表層流速平均值對(duì)比

圖4 高水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速與走航式ADCP 表層流速比測(cè)分析圖

（2）中水測(cè)次分析成果

2021 年3 月20 日,測(cè)時(shí)水位為536.69 m,屬于中水位級(jí),比測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。側(cè)掃雷達(dá)水面測(cè)速單元26 個(gè),選取有效流速單元22 個(gè)（起點(diǎn)距71.1 m～281.1 m）。從圖5 可以看出,中水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速相較ADCP 表層流速分布右岸波動(dòng)幅度較大,中部一致,自中部向左岸側(cè)掃雷達(dá)表面流速較ADCP 表層流速偏大程度遞增。

表2 中水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)與M9 型走航式ADCP 表層流速平均值對(duì)比

圖5 中水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速與走航式ADCP 表層流速比測(cè)分析圖

（3）低水測(cè)次分析成果

2021 年9 月22 日,測(cè)時(shí)水位為534.98 m,屬于低水位級(jí),比測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。側(cè)掃雷達(dá)水面測(cè)速單元26 個(gè),選取有效流速單元22 個(gè)（起點(diǎn)距71.1 m～281.1 m）。從圖6 可以看出,中低水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速相較ADCP 表層流速分布右岸波動(dòng)幅度較大,中部一致,自中部向左岸側(cè)掃雷達(dá)表面流速較ADCP 表層流速偏大程度遞增。

表3 低水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)與M9 型走航式ADCP 表層流速平均值對(duì)比

圖6 低水位級(jí)側(cè)掃雷達(dá)表面流速與走航式ADCP 二層流速比測(cè)分析圖

3.2 側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速關(guān)系率定

3.2.1 側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速計(jì)算

允景洪水文站雷達(dá)流速單元共有26 個(gè),從雷達(dá)起點(diǎn)距61.1 m～311.1 m,每10 m 為1 個(gè)單元,分析側(cè)掃雷達(dá)的指標(biāo)流速采用可信度大于80%的單元水面流速取算術(shù)平均計(jì)算。本次流速分析選擇雷達(dá)起點(diǎn)距71.1 m～281.1 m 共22 個(gè)在各水位級(jí)獲得可信度穩(wěn)定大于80%的單元流速進(jìn)行算術(shù)平均,作為側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速,見(jiàn)圖7。

圖7 允景洪水文站側(cè)掃雷達(dá)流速單元分布圖

3.2.2 側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系率定

本次流速關(guān)系率定共選取走航式ADCP（M9）流量測(cè)驗(yàn)資料41 份。每份流量資料均采用兩個(gè)測(cè)回的均值作為比測(cè)流量。斷面平均流速采用走航式ADCP 流量除以斷面面積獲取。從圖8 可知,總體上側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速和走航式ADCP平均流速變化趨勢(shì)基本一致。

圖8 平均流速趨勢(shì)對(duì)比分析圖

4 結(jié)語(yǔ)

允景洪水文站側(cè)掃雷達(dá)流速單元共有26 個(gè),從雷達(dá)起點(diǎn)距61.1 m～311.1 m,每10 m 為1 個(gè)單元,分析側(cè)掃雷達(dá)的指標(biāo)流速采用置信度大于80%（起點(diǎn)距71.1 m～281.1 m）的22 個(gè)單元水面流速取算術(shù)平均計(jì)算作為側(cè)掃雷達(dá)各測(cè)次指標(biāo)流速,根據(jù)對(duì)ADCP 兩年實(shí)測(cè)資料的流速相關(guān)關(guān)系分析,建立流速關(guān)系模型,適線檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)均合格,側(cè)掃雷達(dá)流量測(cè)驗(yàn)精度符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）的要求。

側(cè)掃雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用非接觸式雷達(dá)技術(shù),能對(duì)河流表面流場(chǎng)、網(wǎng)格點(diǎn)流速進(jìn)行全天候、連續(xù)監(jiān)測(cè)；在高洪測(cè)驗(yàn)時(shí)設(shè)備比其他測(cè)驗(yàn)方法更不易受洪水損毀,是今后流量在線監(jiān)測(cè)的一個(gè)較好的發(fā)展方向,值得推廣應(yīng)用。