RQ30D多传感器在线测流系统在高原地区的应用

郁 婷， 杨 溯， 邹 巍， 嵇海祥， 尼玛扎西

(1.江苏南水科技有限公司， 江苏 南京 210012； 2.水利部南京水利水文自动化研究所， 江苏 南京 210012；3.西藏自治区水文水资源局阿里分局， 西藏 阿里 859000)

西藏阿里地区常年平均气温为0℃，狮泉河镇冬季极端最低气温-41℃，夏季极端最高气温21℃，昼夜温差相当大。狮泉河，藏语称“森格藏布”，发源于冈底斯山脉主峰冈仁波齐北部的森格卡巴林附近，其源头海拔5 164 m，流域洪水来源于冈底斯山和喜马拉雅山两大山系的融雪洪水，水流速很大，它穿行在高山深谷之间，河床狭窄且两岸石崖壁立，形成许多急流险滩[1-2]。狮泉河流经的地方绝大部分是无人区，主汛期洪水出现在8月，平均流量占全年的32%，年均径流量为3亿m3，具有山洪多发、洪水含沙量大及陡涨陡落的特点，其河流流量监测与预警需求迫切，为此在阿里地区选择测验河道，建立一套非接触式流量在线自动监测站。利用非接触雷达波谱技术对河流水位和流速开展自动测验，经过两年汛期的运行，与实测资料对比分析，能满足快速应对高原自然灾害变化突发水事件要求，满足高原地区水文、防汛部门迅速启动应急水文监测和实施应急预案的要求。

1 RQ30D工作原理

RQ30D是一种非接触式、国定式、低维护的全自动流量监测传感器。它利用非接触式波谱技术对河流水位和流速开展自动测验，并将数据传输到中心站[3-4]，其特点是利用两个以上测流传感器在一个河流断面测流，从而应对更较宽跟复杂的断面环境。RQ30D测流原理图如图1所示。

图1 测流原理

RQ30D测流原理利用多普勒频移效应，仪器发送固定频率雷达波(24GHz)斜向射到水面，一部分雷达波被水面波浪反射回来，反射回来的雷达波产生多普勒频移信息被仪器接收，测出反射和发射信号的频差，就可以计算出水面波浪的流速，由于水的表面是波浪的载体，可以认为波浪和水面流速相同。计算公式为

(1)

式中：v为水面流速；C为电波在空气中的传播速度，一个常数；fD为多普勒频移；f0为发射的雷达波频率；θ为发射波与水流方向的夹角。

测速雷达测出的测量点局部流速与断面平均流速关系计算公式为

vm=vtk(h)

(2)

式中：vt为测量点局部流速，k为校正因子，h为河流水位。

据连续性原理[5]，断面过水面积乘以断面平均流速即得流量，河道流量Q计算公式为

Q=A(h)vm

(3)

由公式(1-3)可得河道流量Q为

(4)

式中：A(h)为断面过水面积，可由断面与实际水位测量得出。

2 系统组成

系统主要由两部分组成：中心站以及测站，中心站主要由接收设备(服务器、串口卡，软件等)、供电设备(UPS、稳压电源)、通信设备(北斗卫星)等组成。测站主要由RQ30D、供电系统(太阳能+蓄电池)、保温设备机箱、RTU等组成。数据传输方式采用GPRS公网以及北斗卫星作为通信信道，GPRS通道为主通道，北斗卫星通道为辅助信道。系统架构组网如图2所示。

图2 系统架构

3 比测分析

狮泉河RQ30D监测站选择的断面所在位置两岸岸坡经过固化，河底为鹅卵石构成，河床稳定。利用走航式ADCP流量测验[6-8]，对其进行比测，从流量测验比测结果看，两者之间还有一定偏离，比测结果如表1。

由表1可知，RQ30D与人工观测数据误差最大不超过2 cm，符合自动水位监测《河流流量测验规范》规范要求[9-10]。同时，分析了随着各水位的误差绝对值分布，在线测流与人工数据的水位误差并没有随着水位上升而增大，可以认为RQ30D系统中的雷达水位计消浪较好，可以满足使用要求。

表1 狮泉河水位流量比测

3.1 水位对比

图3分析了水位的误差绝对值分布，在线测流与人工数据的水位误差并没有随着水位上升而增大，可以认为RQ30D系统中的雷达水位计可以满足使用需求。从图4可知，RQ30D与人工水位变化趋势一致。

图3 水位误差分布

图4 水位过程线对比

3.2 流量过程对比

从流量过程线对比图5可知，RQ30D与人工流量变化趋势一致，没有分歧现象。

图5 流量过程对比

3.3 流量相关性对比

从图6可知，人工流量数据与在线测流的流量数据相关性极强，说明RQ30D反应的流量规律与人工实测数据一致，符合该站流量变化的事情情况。

图6 流量相关性对比

3.4 水位流量关系线对比

由图7可知，人工流量数据与在线测流的流量数据的水位流量关系曲线非常接近，吻合度很高。

图7 水位流量关系线对比

4 结 语

由于西藏地区温度低、温差大、气压低、日照强、河流湍急等，常规水文测验无法实现高流速下的洪水流量水位自动测量。非接触式雷达测流技术，利用非接触雷达波谱技术对河流水位和流速开展自动测验，能解决高海拔地区恶劣环境下或危险河道的洪水过境监测需求问题，为水文分析提供依据。

非接触河流流量自动测验系统装置适于在河流环境下安装使用，免维护，实现发生突发山洪高流速时自动化采集传输与分析评估，测量数据根据时间和事件的变化随时自动采集和传输。非接触式自动测流系统在高海拔地区狮泉河站得到良好的应用，具有安全低损、少维护、无泥沙影响等优势，可更好地为高原地区特殊条件下水文监测、防汛决策指挥、水资源管理等提供技术支撑，因此系统在高原地区具有一定的推广价值。