无人机在松辽流域应急水文监测中的应用

肖 飞，柳 恒，吴晓东，陈建平

（松辽委水文局嫩江水文水资源中心，黑龙江齐齐哈尔161000）

1 工作现状及需求

松辽流域大部分河流的下游多为平原区，河谷宽广，分布着广阔的河漫滩，发生洪水时形成跑滩，漫滩水面宽几公里至几十公里，流域出现堤防溃口、分洪和重大突发性水污染等事件时，现场应急水文监测条件差，传统监测设备如缆道铅鱼、旋桨测流仪，均无法下水作业；走航式ADCP、雷达波测流仪等属于接触式测验设备，需要到达水边现场，当水流湍急或恶劣天气环境时，测验设备和人员的安全无法得到保障，监测距离有限，工作任务完成的时效性差，因此，这些设备无法有效完成具有远距离探测、快速响应特点的应急水文监测任务。

无人机水文测流系统是一种新型测流技术，通过无人机平台搭载雷达测速仪，在河道断面指定垂线开展非接触式测流。通过历次应急水文监测工作的实践，无人机测流系统符合应急监测工作时效性、安全性的要求。目前，无人机测流系统主要根据我国主要河流的共性来设计，沿用统一的数学模型，投入使用前需针对不同的河流水流条件进行比测率定分析，确定出不同水流条件下的水面流速系数。因此，基于松辽流域内不同河流特点，使用无人机测流系统设备，通过比测率定出不同水流条件下的水面流速系数样本，建立无人机综合测流方案。在具体应用中，针对应急水文监测时的水流条件，自动选择对应的测流方案。

2 研究分析

2.1 黑龙江四嘉子河流速比测

黑河市爱辉区黑龙江支流四嘉子河水面宽约20.00 m，平均水深0.60 m，施测最大流速0.84 m/s、最小流速0.42 m/s，属于小河流，水流平缓。表面流速通过测杆悬吊旋桨流速仪涉水和无人机悬停两种方法同时施测，无人机悬停高度15.00 m，两种方法测得表面流速相近，5个测点的平均流速比为0.94，2号测点为急流，其他测点为稳流，结果见表1。

表1 四嘉子河表面流速比测结果

2.2 嫩江水文站流速比测

嫩江水文站测验断面位于嫩江市江边公园附近，河段顺直长约600.00 m，平水期水面宽200.00 m，实测最大流速超过3.00 m/s。施测7条断面垂线流速，比测时，该站发生一般洪水，右岸出现跑滩，现场风力大，无人机悬停高度50.00 m。

嫩江水文站洪水跑滩，6，7号垂线位于滩地上，因右岸跑滩断面上游有公路穿过，7号垂线向右滩地形成死水和回流，施测的流速接近为零。断面主槽最大水深7.00 m，流速较大，水流湍急。两种方法的多数测点比值较接近，平均比为0.60，详见表2。

表2 嫩江水文站断面表面流速比测结果

2.3 嫩江尼尔基水库坝下大桥断面比测

该测验断面位于尼尔基水库坝下约1 000.00 m公路桥处，断面水面宽约750.00 m，最大水深5.00 m，河底断面呈“W”型，断面中间流速大，两岸流速较缓，左岸边有时会出现回流。施测9条断面垂线流速，无人机悬停高度25.00 m。两种方法的多数测点比值较接近，平均比为0.67，详见表3。

表3 尼尔基水库坝下大桥断面表面流速比测结果

2.4 比测数据分析与率定

1）表面流速误差分析与率定

从无人机测流系统分别在3种水流条件下表面流速比测的结果可以初步得出：流速小于1.00 m/s的河流，表面流速比均值为0.94；流速小于2.00 m/s且不小于1.00 m/s的河流，表面流速比均值为0.67；流速不小于2.00 m/s的河流，表面流速比均值为0.60。经过初步率定，得出该无人机测流系统在不同水流条件下的测速精度，可初步应用到流域内河流水文监测工作中。

2）断面定位误差分析

在尼尔基水库坝下大桥断面，用测量绳固定出各条垂线水平距离，再测量出无人机悬停在各条垂线的实际位置，通过比较得出无人机定位精度，对比情况见表4。无人机测流系统的参考站与飞行器之间采用GPS差分模式定位，水平定位精度为厘米级，通过比测数据可以看出其定位精度能控制在厘米级。

表4 无人机悬停位置与实际水平距离对比（尼尔基坝下大桥断面）

3）流量计算误差分析

产生误差主要是断面垂线定位误差和垂线表面流速换算平均流速的误差。表面流速与平均流速换算关系依据水文规范给出的经验系数，其引起的误差属系统误差，采用走航式ADCP测流时，对应垂线的平均流速与无人机施测的垂线表面流速同步换算，抵消了两者换算产生的误差。因此，流量计算产生的误差主要是断面面积计算过程中产生的，如断面垂线选取的代表性好时，流量计算误差会很小。以ADCP走航式测得流量为参考值，从两次比测试验计算的流量来看，相对误差均小于5.0%，满足流量测验规范要求，误差对比情况见表5。

表5 无人机测流系统实测流量与ADCP走航式实测流量误差对比

3 改进方向

该无人机测流系统在2021年嫩江流域多次洪水应急水文监测中得到实战应用。通过比测分析、多次测试和升级，系统测验方案在嫩江水文站、白沙滩水文站洪水期水文测验中发挥重要作用，同时，在实际应用中也发现以下几方面应进行改进：

1）升级无人机挂载系统

无人机在测流飞行中，受机身气动效力和外界风力等因素影响，震动较大，影响机体稳定性，导致雷达测流仪测速精度降低。下一步，升级改进无人机测流系统挂载的机械机构，优化任务载荷布置，增强整个无人机平台的防抖抗震能力。

2）优化数据传输方式

优化原有数据传输方式，提升数据传输距离和抗干扰能力。增加备用数据传输通道，保证数据传输的可靠性。

3）升级数据采集分析管理平台软件

对现有数据采集分析管理平台软件进行升级，增设不同流域、河流、水流条件等的选择模板，可对模板内相关水文参数进行实时修订。实现自动测流和数据接收入库查询，测流数据的现场展示，自动计算断面流速、流量，并生成相关成果报表。

4）强化率定，探索无人机测流规律，提高成果精度

应继续强化比测率定工作，在松辽流域主要河流及防汛重要河段，如黑龙江、松花江、辽河等都要进行与传统测流方法比测，采集洪水期间测流数据，分析表面流速与断面流速关系，率定不同水流条件时无人机测验相关参数，继续探索无人机水文测流规律，提高水文监测成果质量。

4 结语

此次比测分析的河流断面涉及大江大河、中小河流，水流条件有平水期和洪水期，比测项目为断面定位精度、水流表面流速等，通过断面面积和流速推求流量，分析的范围和要素比较全面，比测方法符合水文规范要求，比测实例具有很好的代表性。

从比测结果来看，无人机测流系统断面定位精度非常高，为厘米级，完全满足流量测验规范精度要求；初步研究出该无人机测流系统在不同水流条件下的表面流速系数比的规律。率定所得的流量成果与常规测流方法进行比较，误差精度满足流量测验规范要求。因此，通过分析率定，该无人机测流系统测验成果精度得到了有效验证，可以在松辽流域应急水文监测工作中投入使用。