雷达流量站在线监测系统的设计与实现

屠佳佳，李 莎，刘 锋，金浪滨，黄小彬

（1.浙江机电职业技术学院电气电子技术系，浙江 杭州 310053；2.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

近几年，国家对中小河流、渠道的水文监测需求不断提高，很多中小河流开始逐步建立水情测报系统。然而由于中小河流水文站分布广、地域宽、站点多，特别是山溪性河流汇流速度快，洪水陡涨陡落等特点[1]，以及很多河流、渠道存在间歇性断流的情况，而现有的传统水文测验方式已很难满足水文自动化、信息化等的要求。随着社会经济的发展，各类水文自动测报系统已经在不同地域和环境中得到应用，传感器设备也由早期的简单、单一型发展为数字、智能型[2]。雷达流速仪和雷达水位计就是近几年从国外引进的水文测量设备。雷达类测量设备技术成熟，安装方便，测量精度高，采用非接触式的测量方法不受环境、地理的限制，因此被许多的水情自动测报系统所采用[3-4]。本文根据流量测量和信息化系统基本原理，设计了一套适用于中小河流、渠道等在线流量监测的雷达流量站系统。

2 系统设计

2.1 总体设计

雷达流量站在线监测系统主要由监控中心、雷达流量站、传输网络等组成。其中软件平台和数据接收软件安装在监控中心服务器中，所有数据被接收软件接收后保存在数据库中，为了保证数据安全加装了防火墙；雷达流量站安装于河流、渠道现场，主要包括雷达流速仪、雷达水位计和遥测终端等设备，遥测终端采集到流速、水位数据后通过运营商网络传输至监控中心；采用运营商网络作为传输网络可以保证数据传输的稳定性和安全性，使用方便、费用低[5-6]。流量在线监测系统总体结构见图1。

图1 流量在线监测系统总体结构图

2.2 雷达流量站

雷达流量站由供电电源和仪器设备2部分组成，雷达流量站结构见图2。系统支持太阳能电池和市电作为供电电源，在无市电的野外环境中采用单一的太阳能电池供电，在有市电的场所采用市电与蓄电池配合供电，可以有效防止临时断电时系统无电的情况，保证系统稳定运行。仪器设备主要包括遥测终端、雷达流速仪、雷达水位计和无线通信模块等，遥测终端通过RS485转换模块与雷达流速仪、雷达水位计相连，采集到的各项数据通过GPRS/CDMA无线通信模块实时传输至监控中心服务器中。

图2 雷达流量站结构图

3 硬件选型

3.1 遥测终端

遥测终端采用浙江省水文局开发的语润YR - 3000型设备，该设备不仅能将数据自动上报至省水文局数据平台，还配备了液晶显示模块，可以在雷达流量站现场实时查询流速和水位数据。语润YR - 3000主要功能见表1。

表1 语润YR - 3000主要功能表

3.2 雷达流速仪

雷达测速仪选用 Sommer RG 30非接触雷达流量监测遥测系统产品。非接触式雷达测流系统具有土建简单，测量范围广，便于随时维护，少受水毁影响，不受污水腐蚀，不受泥沙影响等特点，能保障设备稳定、安全运行。RG - 30具体性能指标见表2。雷达流速仪RG30的精度为1.0%，比一般的旋桨式流速仪的精度高（例如MT - D旋桨式流速仪精度为1.5%），完全可以满足实际渠道流量测量的需求。

表2 RG - 30性能指标表

3.3 雷达水位计

雷达水位计采用德国进口的型号为VEGAPULS WL 61设备，是测量水和污水物位的理想设备，特别适合用于水处理过程、泵站、以及溢出池、开放式水槽的流量测量和监控。VEGAPULS WL61经济实用、安装简单灵活，采用防水外壳，永久免维护。VEGAPULS WL61主要性能见表3。

表3 VEGAPULS WL61性能指标表

4 现场测试

雷达流量站在线监测系统设计完成后，在象山县隔溪张水库下游渠道选取合适的断面位置进行安装试验，雷达流量站实物见图3。由于测试渠道宽度较小，因此采用横跨式支架安装雷达流速仪和雷达水位计，以保证设备稳定、安全。遥测终端、充放电控制器和蓄电池等设备安装于落地柜中。雷达流量站设备安装过程中应注意渠道两边的混凝土基础必须保持水平，安装雷达流量计时保持发射面处于上游方向，并与水面成45°，安装雷达水位计时保持发射面与水面平行，雷达探头距离水面距离范围可达0.5 m到30.0 m。

该雷达流量站点处于野外，因此采用单一太阳能电池供电，太阳能电池板安装角度约为30°左右，固定于落地柜顶板上方，以保证接收充足的太阳光照。系统运行于低功耗模式，每隔5 min采集1次流速、水位数据，并通过GPRS无线网络实时上报至监控中心保存、处理，数据采集传输完成后立即进入休眠模式。

图3 雷达流量站实物图

数据上传后保存在浙江省水文局数据平台中，通过客户端软件读取数据并计算获得流量数据，显示软件采用Excel进行编程，安装于监控中心服务器上，软件界面结构简单、操作方便，具有实时数据、累计数据、流量曲线查看功能。系统根据遥测终端上传的水位、流速数据和渠道实际断面参数计算得到流量数据，软件界面中显示为每5 min的流量数据。其中数据查询菜单中可以查看历史数据，并支持导出功能。

使用水位 — 流速法测量明渠的流量时，按照明渠断面流速分布的经验公式，需先将测流断面进行n 等分，计算出各个分区的流量值，并对它们进行求和，即可得出该明渠断面的总流量值。本试验渠道为标准梯形渠道，根据明渠均匀流的流量进行计算，具体公式为：

根据流速计算的流量数据与根据水位数据计算的流量数据非常接近，验证该雷达流量站系统的准确性，而且测算结果能够满足业主的精度需求。

5 结 语

雷达流量站系统在象山县隔溪张水库下游渠道安装后，实现水库对渠道水位和流量的实时、在线监控，数据经过专业率定，准确度高，可以为水库管理人员的决策提供数据支撑。雷达流量站安装方便，基本免维护，可以有效解决水利工程经常处于野外山区，而且面临间断性供水、岸边不易建井且地势复杂等情况，具有良好的推广价值。