定点雷达测流系统在大断面、山区性河流测流中的应用

苏 军

(第八师石河子市水利工程管理服务中心，新疆 石河子，832000)

0 引言

水文监测是防御洪灾十分重要的非工程措施，传统水文站大都依靠人力，存在操作复杂、测流效率低、洪水期安全威胁大、高位测验及时性差、年久失修等问题，严重时还可能威胁测报人员的生命安全，造成不可逆的财产损失。此外，山区性河流测流时还会因水位暴涨暴落、漂浮物、滚石等影响测流精度。如何更好地实现大断面、山区性河流的自动测流，实现水文站“无人值班、少人值守”的运维目标，从而实现建设成本更经济、测流工作更高效、日常运维更便捷。

随着科学技术的不断进步，测流方式更加丰富多样，定点雷达测流技术作为一种新的测流方式正不断引进并使用。定点雷达测流系统是一种非接触式测流系统，采用非接触方法测量流速，测量时不会受到水中泥沙含量、污染物浓度、水面漂浮物、天气环境等影响。系统不仅适用于一般河流的自动测流，还满足污水、山区性河流等的流量测量，解决了无人值守条件下山区性暴涨暴落河流流量自动测验难题，具有广阔的市场前景和社会价值[1]。

定点雷达测流系统由雷达水位计、雷达流速仪、遥测终端机、太阳能供电系统、风速风向传感器和管理平台软件等组成。系统采用多个雷达流速仪探头，将测水断面分割成多个测量区，利用雷达流速仪探头测得各测量垂线水面的表面流速，利用雷达水位计测得当前水位，遥测终端机利用串行通信方式完成各水位、流速等数据的集中采集，并通过4G/5G/北斗通信等方式将数据发送至中心采集软件，管理平台软件根据各垂线起点距位置、断面工况等水工数据，利用水力学计算公式完成断面过水面积和流量的计算，管理平台还能够结合人工率定的成果进行数据的修正和校准，进一步提高测流精度。

1 技术方案

1.1 建设目标

充分利用物联感知、移动互联、云计算、大数据、GIS技术等先进科学技术，结合多普勒效应、水力学等相关理论知识，打造一套测量精准、维护方便、互动性强的自动测流系统，从而提高测流精度和工作效率，降低建设和运维成本，保护相关人员的生命财产安全。

1.2 通信方案

定点雷达测流系统采用雷达波技术测量水位及表面流速，借助钢桁架或索道把雷达传感器布设到断面相应位置。传感器通过RS485总线连接到遥测终端机。遥测终端机内置无线通信模块或外接DTU，通过无线网络将测流数据送至中心站，组成一整套定点雷达测流系统。系统网络框架如图1所示。

图1 定点雷达测流系统网络框架

1.3 雷达测流原理

雷达波流速仪测速的原理是应用多普勒效应(即移动物体对所接收的电磁波有频移的效应)，根据接收到的反射波频移量计算得出被测物体的运动速度。

在实际应用中，固定旋转式雷达测流仪位于水面上方，以一定的俯角向水面发射雷达波，并接收从水面返回的雷达波信号，根据雷达波反射特性和多普勒测速特性，回波信号的频率变化与水面流速成正比关系，传感器通过检测频率变化得到水面流速。计算公式如下[2]：

式中：V为水面流速；f0为发射声波频率；fD为多普勒频移量(频率差)；C为电波在空气中传播速度；θ为发射波与水流方向的夹角，是俯角和方位角的合成。

1.4 供电方案

由于水文站往往比较偏远，供电采用“光伏组件+蓄电池浮充”或风光互补的供电方式，在设计容量时，需充分考虑当地的光照和气候条件，至少能够满足不少于15个连续阴雨天的使用需求。理论计算过程如下：

(1)设备使用总电流I=W[总设备功率]/V[使用设备电压]

(2)蓄电池容量Ah=I×H放[每天放电时间]×(D[连续阴雨天数]+1)÷80%[蓄电池放电预留]×120%[线缆损耗]

(3)蓄电池组数量n=V/12[蓄电池电压]

(4)蓄电池总容量Ah总=mAh×n

(5)太阳能电池板功率Wp÷18V[太阳能电池板充电电压]=(I×H放[每天放电时间]×120%[电池板功率])÷H光[每天光照时间]

(6)太阳能电池板实际功率Wp实际=Wp×120%[线缆损耗]

(7)电池板数n电池板=V/12[电池板电压]

(8)电池板总功率Wp总功率=Wp实际×n电池板

1.5 安装方案

在进行大断面或山区性河流的流量测量时，需充分考虑现场的安装条件和建设成本，既要保证雷达波设备的安装满足测流要求，又要最大程度地降低建设成本，目前常用钢桁架和索道两种安装方式。

钢桁架安装方式适用于断面宽度不超过50m，方便制作测桥基础和钢桁架施工的河道。雷达流速仪安装间距根据设备发射角和断面宽度进行布设，雷达水位计要求能够测得所选断面最低可测水位。钢桁架安装站点实拍如图2所示。

图2 钢桁架安装站点实拍

索道安装方式适用于大断面流量测量，制作钢桁架成本高，施工难度大。雷达波传感器采用专用的安装支架固定在钢索上，安装稳固，不受大风或其他环境因素影响，雷达流速仪安装间距根据设备发射角和断面宽度进行布设，雷达水位计要求能够测得所选断面最低可测水位。索道安装站点实拍如图3所示。

图3 索道安装站点实拍

2 功能特点

相较于传统的水文站，定点雷达测流系统具备以下功能特点：

(1)采用非接触式雷达波测量方法，站点建成后可根据设定的监测频率自动完成测流，测流效率高，基本不需要人工参与。

(2)区别于“一点代面”的测量方法，系统采用多个雷达流速仪进行测流断面各垂线表面流速的自动监测，利用水力学公式可更为精确地计算出断面的瞬时流量。

(3)系统可以根据断面情况和水位变化，制定个性化的垂线布设方案和测流垂线数。

(4)系统预留率定校核系数，运维人员可根据人工率定的成果调整相关系数，进一步提高测流精度。

(5)具有丰富多样的测流模式，包括定时施测、异常加报施测、低水位停测等工作模式。

(6)具备数据实时上传和断网续传的数据传输模式，单次测流工作完成后，将水位、各垂线流速、测次、起止时间、垂线数、垂线起点距、垂线流速以及系统运行参数等成果信息发送至中心管理平台统一处理。

(7)具备强大的数据存储能力，可存储上万条测流数据，存满后自动向前覆盖数据，数据能通过U盘或远程下载，下载生成文本文件并直接参与资料整编。

(8)具有短信报警功能，如雷达流速测验异常、雷达探头收回(或转动)异常、蓄电池缺电等短信报警。

(9)具有联网自动校时功能，系统时间严格与北京时间同步。

(10)具有远程设参功能，配套蓝牙模块。

3 比测率定

3.1 比测方法

依据《声学多普勒流量测验规范》(SL 337-2006)[3]有关规定及相关技术要求，须开展指标流速与断面平均流速关系的比测率定工作。系统可采用定点雷达测流系统中站点流量数据与该站点历年水位-流量关系曲线进行比测，通过同一水位下瞬时流量的系数关系，修正监测数据，提高雷达测流的准确性。

以蘑大引洪渠水文站为例，为率定定点雷达测流站点的流量系数，采用比测方法如下：

(1)通过在线监测系统获取蘑大引洪渠水文站不同水位对应瞬时流量，然后与水位-流量关系曲线进行比测，得出流量系数，见表1。

表1 同一水位在线监测系统数据与水位-流量关系曲线流量对比

(2)通过在线监测系统获取蘑大引洪渠水文站同一水位对应的瞬时流量，计算其平均值，然后与水位-流量关系曲线进行比测，得出流量系数，见表2。

表2 同一水位在线监测系统平均数据与水位-流量关系曲线流量对比

3.2 比测数据分析

得出流量系数后，为更准确地得出在线监测系统的流量修正系数，需进行误差分析。将率定出的流量系数(k=0.98和k=0.99)与水位-流量关系曲线进行计算，得到计算流量，再与同一水位下在线监测系统的瞬时流量进行误差分析，得误差结果，见表3、图4、表4及图5。

(1)k=0.99，计算流量与查线流量误差情况和趋势曲线如下：

表3 计算流量与查线流量误差分析(k=0.99)

图4 计算流量与曲线查线流量误差趋势(k=0.99)

(2)k=0.98，计算流量与查线流量误差情况和趋势曲线如下：

表4 计算流量与查线流量误差分析(k=0.98)

图5 计算流量与曲线查线流量误差趋势(k=0.98)

通过查线流量与不同系数计算得出计算流量，与在线监测瞬时流量进行误差分析，得出当系数为0.99时的误差为0.42%，系数为0.98时的误差为1.45%。

3.3 比测结论

根据《水文资料整编规范》(SL 247-2020)[4]，分析比测数据可以发现，k=0.99时，蘑大引洪渠水文站监测数据及趋势曲线与水位-流量关系曲线基本一致，也表明定点雷达监测系统设备性能可靠，数据传输稳定，能够高质量地完成河流的量测水任务。

4 结语

定点雷达波测流系统是集测流、无线传输、测验数据库管理、网站发布、业务处理于一体的全自动流量测验系统。站点测量时不会受到水中泥沙含量、污染物浓度、水面漂浮物、天气环境等影响，特别适合大断面、山区性河流的自动测流。在水文系统面临站点多、人员少、建设投资受限、人工测流难度大危险系数高等困难时，定点雷达测流系统是实现“无人值守、少人值班”较为理想的选择。

目前，定点雷达测流系统已在“新疆兵团大江大河水文监测系统(一期)建设工程”等项目中得到了应用，所有站点均已建设完成并投入运行，数据实时上传至项目监测管理中心，系统运行稳定可靠，应用情况良好。