非接觸式雷達波測流與傳統測流比較分析

解傳奇 張藝 荀武

文章編號：1006-0081（2019）09-0026-03

摘要：崇陽（二）水文站位于湖北省崇陽縣天城鎮，為控制陸水水庫上游水情的二類精度基本水文站，平常多用纜道轉子式流速儀法測流。在高水測驗過程中，流速儀常被水中漂浮物纏繞，導致施測中斷，影響測流時效與精度。根據非接觸式雷達波流速儀與纜道轉子式流速儀測流的實測資料比較分析，探究非接觸雷達波測流系統在崇陽（二）水文站的適用性。分析結果表明：非接觸式雷達波流速儀與纜道轉子式流速儀的比測效果較好，基本能夠滿足相關規范的精度要求;該系統安全系數高、安裝方便、運行穩定，可廣泛用于搶測洪峰測驗工作中。

關鍵詞：測流;非接觸式;雷達波流速儀;纜道轉子式流速儀;陸水

中圖法分類號：P333

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.006

1研究背景

崇陽（二）水文站位于陸水水利樞紐上游約34km處，是陸水水庫入庫控制站，上游700m處有一座4級電站。該水文站所控制的測流斷面屬于山溪性河流，水流具有暴漲暴落特性，同時受上游電站閘門啟閉和陸水水庫頂托影響，水流流態變化復雜，水位一流量、流速關系測點分布散亂。長期以來，為掌握斷面流量變化過程，測流頻繁（年測流100次左右），但仍難以得出其流量變化規律，該站測流工作存在強度大、危險系數高等難點。目前，崇陽（二）水文站采用LS25-3A型流速儀進行施測，施測垂線5-8條，平均測驗時間約為1h，測驗精度和時效性都受到測驗手段的影響。

21世紀初，各類新技術和測驗設備開始被廣泛用于水文測驗實踐中，崇陽（二）水文站也根據河道斷面特性和特點選用適用的設備開展流量施測。

2非接觸式雷達波測流系統

2.1雷達波測流系統組成與特點

在暴漲暴落且漂浮物較多的河段，傳統的流量測驗方式是以浮標法為主，但是浮標測流存在工作效率低、精度差等缺陷，加上對洪水監測信息時效性要求越來越高，選用一種非接觸測流系統進行斷面實時在線臨測對于該站高洪期的流最監測意義重大[1-2]。

根據測流斷面寬度以及常規法施測中各垂線布置情況，將一個或多個電波流速儀布設在不同斷面垂線上，配置由數據采集控制終端（RTU）、水位傳感器、通信設備、電源等組成的非接觸在線測流系統。電波流速儀是利用多普勒效應原理測量水面測點流速。通過從同定角度和方向向水面發射微波、接收回波來測量水面點流速，再通過模型算法來推算斷面流量。測量時流速儀安裝在橋梁或纜道上，不接觸水體，具有不擾動流場、測驗歷時短、測驗頻次高、抗泥沙影響等特點，特別適用于高洪測流。此外，該系統安裝結構簡單，維護方便，運行可靠、穩定。

2.2在線測流系統軟件功能與應用

2.2.1系統軟件功能

非接觸雷達波測流軟件具備以下基本功能：

（1）實時顯示水位、流速、流量數據及過程線。

（2）計算、顯示、輸出日、旬、月、年水量報表及過程線，能在同一個界面顯示全年水量過程線。

（3）實時召測當前流速、水位;設置測流斷面和測流垂線、岸邊系數等預置參數。

（4）設置流速測量歷時、水位測量歷時等采集參數，能實現數據查詢、匯總、打印等。

2.2.2測流軟件操作

（1）軟件安裝后，首先進行系統參數配置，主要參數包括水文站基本信息、左右岸邊系數、默認大斷面等。

（2）導人大斷面數據，并勾選常用測速垂線。

（3）確定電臺連接無誤后，即可點擊開始進行測量。測量完畢將輸出流量成果表。關閉軟件后，前端設備自動進入低功耗狀態，無須其他操作。

3對比分析

3.1試驗方法

采用該站已投入正常運行的纜道測流與非接觸流量測驗系統同步進行流量測驗比對。非接觸流量測驗系統安裝運行后，采集各級水位的流量數據。其中，非接觸流量測驗系統根據設定的歷時時間，采集垂線表面流速并處理后，再進行加權計算得出該垂線平均表面流速。斷面垂線流速采集完畢，根據起始水位、結束水位以及大斷面數據計算斷面面積，從而得出斷面虛流量（不準確的真實流量），虛流量乘以系數即得出實際斷面流量。

3.2成果分析

3.2.1原始數據

此次比測試驗，采取非接觸流量測驗系統與纜道測流在不同水位、不同時段同步測流流量測驗成果作為試驗分析資料。

3.2.2數據分析方法

由于非接觸測流時段與流速儀測流時段并非嚴格重合，擬采用兩種數據分析方法：①對于時段基本重合部分采用實測數據對比分析;②對非接觸測流時間流速儀的測流成果進行定線，根據非接觸測流時間、水位查線得到真實流量，并與非接觸測流所得的虛流量進行對比分析。

3.2.3實測數據對比分析

依照非接觸測流成果表時間，從流速儀測流記錄中抽取相應時段數據，根據實測流量Q1與非接觸測流表中虛流量Q2得出系數KO=Q1/Q2，進行平均后得出平均系數K1，根據Q2及K1計算得出非接觸測流流量Q3=K1/Q2，根據Q3及流速儀流量Q1計算誤差。

有效非接觸測流成果共37份，相對應流速儀測流有效27份，經同歸計算得出流速系數為0.7913，R2=0.9737，虛流量乘以該系數后與流速儀實測流量比較，相對誤差在10%以內的共24份，占有效測流的比例為88.89%，標準差為6.97%（見表1）。

3.2.4查線數據對比分析

依非接觸測流成果表時間，根據水位記錄表以及流速儀測流記錄進行人工定線，之后根據非接觸測流時間及水位確定相應時問真實流量Q1。根據流量Q1與非接觸測流表中虛流量Q2得出系數Ko=Q1/Q2，進行平均后出平均系數K1，根據Q2及K1計算得出非接觸測流流量Q3=K1/Q2，再計算與流速儀所得流量Q1的誤差。

非接觸測流成果共37份，經回歸計算，流速系數0.7913，R2=0.9858，虛流量乘以該系數后與流速儀實測流量比較，相對誤差在10%以內的共35份，占有效測流37份的比例為94.59%，標準差為5.84%;相對誤差在8%以內的共35份，占有效測流29份的比例為78.38%;相對誤差在5%以內的共20份，占有效測流37份的比例為54.05%（見表2）。

同歸分析計算結果表明，采用雷達測流系統進行測驗的流量數據與實測數據相差不大，但是也存在個別數據誤差較大，造成誤差的原因是多方面的：①較大流速條件下，當非接觸測流系統與鉛魚同步測量時，由于偏角過大，易發生非接觸流速傳感器采集緩慢現象，纜道主索隨鉛魚移動產生的跳動也會影響雷達波流速儀施測;②下游陸水水庫水位較高時，會對斷面產生嚴重頂托影響，同樣導致流速的橫向分布異常，流速系數偏小;后期可通過試驗補充數據，率定出不同水位級流速系數，以便進一步提高測流精度。

目前所采用的非接觸式雷達波測速儀安裝在纜道行車上，測流過程中不接觸水面，通過發射雷達波并接受雷達波方式測量流速，隨后進行軟件處理得出流量。該儀器與傳統的轉子式流速儀測流相比，施測時間大大縮短，在高洪情況下，由于不接觸水面，可避開漂浮物對測流過程的影響;數據分析表明，與流速儀比測結果相比，誤差不大。

4結語

本文的初步研究及數據分析結果表明，非接觸式雷達波流速儀與纜道轉子式流速儀的比測效果較好，基本能夠滿足相關規范的精度要求，且監測系統室外設備運行為非接觸式，安全系數高、安裝方便、運行穩定，可大大減輕工作人員勞動強度，建議推廣用于搶測洪峰測驗工作中，并在一定程度上替代浮標、漂浮物等傳統測驗手段。

參考文獻：

[1]河海大學，水文測驗學[M].鄭州：黃河出版社，2003.

[2]李騰，全小龍，黃童，船載三維激光掃描系統在三峽庫區庫岸地形測量中的應用[J].水利水電快報，2018，39（10）：29-32.

（編輯：李慧）

收稿日期：2019-01-10

作者簡介：解傳奇，男，助理工程師，主要從事水文測驗工作。E-mail： 410789452@qq.com