双系统组合雷达流量在线监测系统在临沂水文站的应用

王 凯 陈奉丽 张 洪

（山东省临沂市水文中心 临沂 276001）

1 水文站概况

临沂水文站为国家重要水文站，设立于1950年4月，系沂河干流控制站，流域面积10315km2，大中型水库以下流域面积5194km2，河道干流长227.8km、平均坡度0.96‰，流域形状呈扇形。2020年初，根据临沂水文站的实际情况，淮委水文局联合河南黄河水文科技有限公司，实施了YRCC.RG-1/2/3 型雷达网络流量在线监测系统，创造性地将双系统组合雷达流量在线监测系统模式应用于较宽河段断面，实现了水位、流量数据在线监测。

2 双系统组合雷达流量在线监测系统简介

2.1 系统概述

系统通过控制多个雷达传感器同步采集水位、水流表面流速，经率定后建立断面平均流速以及河道实时流量计算模型，实现流量在线监测。适用于能够建立表面流速与断面平均流速相关关系的河道、渠道等明渠流量自动监测。

2.2 数据采集传输

2.2.1 数据采集

（1）通过数据采集终端（RTU）采集流速、水位、风速风向、工况等数据。

（2）系统工作体制为平安报、自报（段制需要设定）、加报（需要设定增量）和查询应答（召测）工作方式。

（3）RTU 支持远程下载数据、远程参数设置、远程时钟校准。

（4）RTU 每天0 时自动校时，系统时间统一以服务器时钟为准。

2.2.2 数据传输

（1）本地数据传输。通过数传电台将数据传输到本地水文站，测站（驻测站）管理人员能实时分析、处理数据和报汛。

（2）RTU 到数据中心主信道。GPRS 作为数据通讯的主信道，RTU 通过GPRS 把数据传送至数据中心，数据中心负责存储、处理和使用。

（3）备用信道。主要报汛数据需要配置备用信道。当GPRS 出现故障，无法传输数据时，自动启用北斗卫星数据终端（备用通道）将数据及时地传输到数据中心。

（4）局域网数据传输。具备内网网络资源的，RTU 可以直接接到光纤网络（局域网）传输至本地水文站和数据中心。

2.2.3 系统软件

定制开发专用水位流量在线监测应用软件，实现接收、处理、查看以及控制、接收、存储测站的水文数据、计算成果、绘制各类图形、数据整理分析等。

3 系统在临沂水文站的安装设计

3.1 桥测双系统组合雷达流量在线监测系统设备安装

临沂水文站的测验河段基本顺直，断面位于国道G327 线沂河大桥上游侧，断面宽（即主桥长）1442m，主槽相对固定，断面冲淤变化不大。为更好解决断面较宽和测验精度问题，经综合分析，确定采用YRCC.RG-1/2/3 型雷达网络流量在线监测系统中的“桥测双雷达流量在线监测系统”在线模式，将系统设备分为两组安装，两组在断面中间处有所交叉，采集数据由2 套数据采集终端来完成。这样既可以有效减小线路传输距离，又可以在一组故障情况下另外一组仍可提供有效测流数据。

3.2 雷达测流传感器布设

测流设备安装在公路桥侧面或下面，布置10条垂线，每条垂线对应安装1 台非接触雷达测流传感器，10 条垂线的起点距分别是：1#-285m、2#-435m、3#-585m、4#-705m、5#-795m、6#-885m、7#-975m、8#-1065m、9#-1215m、10#-1315m，雷达水位计安装在6#垂线位置，此处水深最深，具体位置可在安装时适当微调。

3.3 流量计算模型

雷达测流传感器布设的位置和数量确定后，就可以由此建立相应的流量计算模型。本次系统构建中，流速采集（10 个传感器）分配为交叉（交叉断面775m 为洪水主流）独立运行的两个分系统，数据全部到达信息中心（或水文站）后，后台构建流量模型计算实时流量。当断面上下游河段水体表面出现畅流状态流场分布特征，水面流速超过一定阈值（一般为0.3～0.5m/s），能够启用雷达流量在线监测系统进行流量监测。

3.3.1 模型Ⅰ

两个分系统运行正常，全部10 条垂线雷达测流传感器监测数据参加流量计算，其表达式为：

式中：

Q1—全系统在线流量；

K1—全系统流量综合系数（断面实际流量与雷达波测流系统水面流速计算的虚流量比值）；

α左、α右—左、右岸岸边流速系数；

Ai—第i 和i-1 条垂线间的面积，根据测时水位大断面资料计算；

Vi—第i 条垂线的流速。3.3.2 模型Ⅱ

两个分系统中系统1出现故障、系统2运行正常，采用系统2 的5 条垂线雷达波测流传感器监测数据参加流量计算，其表达式为：

式中：Q2—系统1 在线流量；

K2—系统1 流量综合系数；

α左、α右—左、右岸岸边流速系数；

Vi—第i 条垂线的流速。

3.3.3 模型Ⅲ

两个分系统中，系统2 故障，系统1 运行正常，采用系统1 的5 条垂线雷达波测流传感器监测数据参加流量计算，其表达式为：

式中：Q3—系统2 在线流量；

K3—系统2 流量综合系数；

α左、α右—左、右岸岸边流速系数；

Vi—第i 条垂线的流速。

4 系统在临沂水文站的应用效果

4.1 洪水测验

临沂水文站非接触雷达在线测流系统于2020年7月上旬投入运行，经历了8月份沂河大洪水的考验。2020年“8·14”典型暴雨洪水过程，临沂水文站采用传统测流车流速仪和ADCP 桥测，人工实测流量19 次，于14日19 时07 分采用ADCP 法实测洪峰流量10900m³/s。桥测双系统组合雷达流量在线监测系统监测数据与人工实测数据高度拟合，高洪时系统运行稳定，精度可靠，达到了提高流量监测实效性的目的。数据对比见表1。

表1 临沂水文站人工实测流量与实时在线流量对照表

4.2 比测分析

该系统经2020年和2021年历次洪水测验运行，大洪水时数据代表性较好，现选取2020年“8·14”典型暴雨洪水，对桥测双系统组合雷达流量在线监测系统监测数据和临沂水文站流速仪桥测、走航式ADCP 桥测数据进行比测分析。

在图1 水位流量过程线图中，点据为人工实测流量数据，通过对1000 流量以上的人工与自动数据进行分析计算，两者的相关系数为0.997。

图1 水位流量过程线图

图2 为不同起点距位置的流速传感器所测流速与走航ADCP 的所测相应位置的水面表面流速的对比，从图中可以看出流速分布合理，符合天然河道河速分布特性，且雷达探头与走航ADCP 两者所测数据高度一致。

图3 为人工与自动流量数据对比图，点据的横坐标为人工流量，纵坐标为相应时间段的自动流量。从图3 中可以看出人工与自动流量数据密集在40°直线附近，说明在线流量与人工实测流量高度相关。

图3 人工与自动流量数据对比图

5 结语

双系统组合雷达流量在线监测系统模式应用于较宽河段断面，实现了水位、流量数据在线监测。该项技术是国内首次开发研制并投入应用，可以很好地解决典型河段断面较宽、在线监测等难题。临沂水文站非接触雷达在线测流系统于2020年7月上旬投入运行，经历了8月份沂河大洪水的实际应用，较大洪水（临沂流量在2000m3/s 以上）时系统运行稳定，精度可靠，达到了提高流量监测实效性的目的，为防汛预警预报提供了及时的数据支撑。

由于临沂水文站测验断面较宽，中小洪水期间测站上下游水利工程运用对洪水特性影响较为明显。在垂线水深较大，水面流速较小（一般小于0.3m/s时），流速传感器适应性不够准确，中小规模洪水在线流量的综合流量系数K 值的稳定性还需要进一步比测分析■