大藤峽水利樞紐工程截流龍口流速監測關鍵技術研究與應用

田蘇茂 曾雅立 黃童

摘要：2019年11月，廣西大藤峽水利樞紐工程進行大江截流。截流過程中，受龍口流速測驗環境限制，無法使用傳統方法施測，因此采用了無人機載電波流速儀、側掃雷達、電子浮標等新型測驗方法。在截流期間，通過新方法獲得了大量以截流龍口流速為代表的重要參數，為工程截流決策提供了重要依據，施測效果良好，同時也顯示出3種新型測驗方式在龍口流速測驗方面的適用性和局限性。綜合來看，在傳統方法無法施測時，這些方法可作為獲取水文數據的重要手段，并根據實際情況在應用過程中不斷優化。

關鍵詞：龍口流速;側掃雷達;無人機載電波流速儀;電子浮標;大江截流;廣西大藤峽水利樞紐

中圖法分類號：P335文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.003

文章編號：1006 - 0081（2021）04 - 0020 - 05

1 測區概況

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端大藤峽出口弩灘處（即廣西壯族自治區桂平市南木鎮弩灘村），控制面積19.86 萬km2，占西江流域面積的56.4%，西江水資源量的56.0%，控制洪水總量占梧州站洪量的65.0%。地理坐標為東經110°01′、北緯23°28′。

大藤峽水利樞紐工程作為國務院確定的172項節水供水重大水利工程之一，集防洪、航運、發電、水資源配置、灌溉等綜合效益于一體，是珠江流域防洪關鍵控制性工程和水資源配置骨干工程，被譽為珠江上的“三峽工程”。 大江截流采用從右岸一側單戧堤進占、立堵截流方式[1]。

2 截流龍口流速監測特性

合龍前期，采用走航式ADCP進行龍口上下游流速場測驗，收集到了從截流開始至龍口形成這段時間內龍口斷面、龍口上游100 m、龍口下游100，200 m等各處流速場值。龍口形成后，形成落差達2 m以上的水跌，流速超過4 m/s，考慮到安全因素，測船無法施測龍口附近流速，傳統流速測驗方法失效。因此及時啟動了水文應急監測。

水文應急監測是應對突發性水事件的非常規狀態下的水文應急工作，具有緊迫性、艱巨性、復雜性和非常規性等特點。由于水文應急監測時效性較高，需在短時間內提交監測信息，要求水文應急監測的儀器設備先進、自動化程度高、精度高、便于攜帶等。

此次，大藤峽龍口截流就是在特殊條件下（如龍口浪大、流速大、常規設備無法進入測區、戧堤裹頭坍塌嚴重、安全隱患多等）開展的水文應急測驗工作，測量人員面臨嚴峻挑戰。根據測區具體情況和目前我國水文應急監測所應用的先進技術設備優缺點，主要采用了流速矢量場實時監測系統（由電子浮標、側掃雷達、無人機攜載電波流速儀等高新技術設備組成）監測龍口河段流場變化和龍口水面流速大小。側掃雷達和無人機載電波流速儀測驗屬于非接觸式測驗，只需在上游指定位置投放浮標儀器即可記錄軌跡數據，均可替代傳統法進行龍口流速施測。

3 無人機載電波流速儀監測龍口水面流速

3.1 工作原理

無人機測流系統主要由無人機平臺、雷達測流儀、便攜計算機等組成，通過無人機平臺搭載雷達測速儀在河道指定斷面開展非接觸性測流，將表面流速傳回便攜式計算機的測流軟件并計算流量。測流前，根據河道斷面情況和實地勘察周圍環境預設航線，包括起點距、空中高度和懸停時間。測流時，無人機依次在指定垂線處懸停測流，實時傳回表面流速數據，通過測流軟件計算斷面流速流量數據，并生成成果報表，測流完成后，無人機按照預設軌跡返回指定位置[2]。測速工作原理如圖1所示。

電波流速儀發出一個微波能量束（無線電波），當波的能量撞擊到水面時，部分能量返回到雷達設備天線，返回信號的頻率變化與目標的速度成比例，根據發射和返回信號的頻率不同測定水面流速，計算公式為

[V=C2f0cosθfD]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：V是水面流速，m/s;C為電波在空氣中傳播速度，m/s;[θ]為發射波與水流方向的夾角，[f0]為雷達頻率，Hz;[fD]為電波的多普勒頻移。

3.2 數據代表性分析

測量龍口流速時，無人機位于龍口下游25 m。無人機地面控制站能夠實時顯示坐標信息，測量完成后，無人機往下游飛行實時測量各點流速，尋找最大流速位置，并懸停15 s以上采集流速信息。根據無人機軟件計算顯示流速，并取其平均值統計最大流速及其位置。數據顯示，龍口最大流速在龍口下游28 m處，與三峽工程大江截流時龍口最大流速位置范圍較為相似，說明合龍時，龍口一帶最大流速并非在龍口處，而是位于龍口水舌下沿。

2019年10月26日，無人機測得表面流速與手持電波流速儀測得流速誤差在0.2 m/s以內，說明無人機測量龍口數據具有一定精度，基本能代表龍口當時水面流速變化實際情況，具體數據見表1。監測數據表明，龍口下游水舌處流速比龍口軸線上流速大，兩者比值平均為1.14，水舌間距龍口軸線下游30 m以內。

4側掃雷達監測龍口水面流速

4.1 工作原理

雷達是利用目標對電磁波的反射（或散射）現象來發現目標并測定其位置和速度等信息的。雷達利用接收回波與發射波的時間差來測定距離，利用電波傳播的多普勒效應來測量目標的運動速度，并利用目標回波在各天線通道上幅度或相位的差異來判別其方向[3]。超高頻雷達河流流速（流量）監測技術還用到布拉格（Bragg）散射理論。

[Δf=2VSλ=2Vcr+Vpλ=2VcrfB]? ? ? ? ?（2）

[fB=2Vpλ=2λgλ4π=g4π≈0.102f0]? ? （3）

式中：[fB]為多普勒頻率，Hz;[Δf]為一階Bragg峰位置偏離標準Bragg峰的程度，Hz。

對于等寬的順直河道，河水流向與河岸是平行的。如圖2所示，河道為順直河道。如果A、B點與河岸的垂直距離相同，理論上有[VA=VB]。

基于側掃雷達的測流系統采用非接觸式雷達技術，超高頻雷達可以獲得表面徑向流，通過矢量投影與合成的方法就可以得到矢量流。利用多普勒原理測量河流表面多個單元流速，建立單元表面流速與斷面平均流速的關系，經流速面積法計算得到斷面流量。

單站超高頻雷達可以獲得表面徑向流，系統野外站結構見圖3。

4.2 監測情況

（1）設備安裝及校準。項目選用單臺超高頻雷達RISMAR-U開展監測工作。

2019年10月13～14日在左岸完成基座選址及供電線路等查勘工作，由于前期考慮到電源供電以及調試方便等，將儀器選址在縱向圍堰頂戧堤軸線上游12 m處，與最后形成的龍口方向重合。安裝后按儀器使用規程，利用校準天線對其進行調試。

2019年10月19日晚得到實時流速場分布數據，與ADCP實測數據對比后發現側掃雷達計施測的流速偏小，原因如下：儀器對測驗河道的順直條件和水流分布條件要求較為苛刻。在截流過程中，龍口形成后，流場呈現流速變大且流向隨龍口推進方向改變等復雜多變的特點。雷達計掃測范圍內的流場分布需滿足儀器原理所需要的順直流場，因此儀器需距離龍口足夠近，且高度足夠低，且雷達天線朝向需時刻與流場方向垂直。

綜上，改進了安裝方案，雷達計重新選址在右岸縱向圍堰下方前期建筑殘余的土堆上，其高程約為30 m，距水面高度3～5 m，距龍口右岸約5 m。另外，根據儀器測驗原理，其天線朝向必須時刻調整以保證垂直于斷面流向。具體調整方法為：根據電子浮標在同一時間段內多次施測的龍口流速路徑計算斷面流向與戧堤軸線的偏角，根據三角形相似原理以此偏角修正天線朝向，修正頻次視流向改變速率而定，即是以戧堤推進的施工進度而定。具體安裝及修正情況如圖4所示。

（2）儀器基本參數設置。儀器測量距離范圍為400 m，扇面范圍的圓心角角度為120°，距離分辨率為10 m，每間隔10 m測量1組表面流速，監測頻次約20 s施測1次。根據側掃雷達測得的回波信號，經應用程序軟件濾波處理后，截取龍口附近區域信號進行流速流向計算，得到整個龍口區域的流速分布圖，再從中選取最大流速數據與ADCP實測數據、電子浮標及無人機載電波流速儀施測數據進行對比分析后上報信息中心。

（3）監測資料。自2019年10月20日08：00開始，經與ADCP數據對比，側掃雷達計已工作正常，能實時得到正確的龍口附近區域流速場數據，截止25日17：00，側掃雷達共收集129 h流速數據。側掃雷達主要監測成果見表2。

4.3 應用優化方案

（1）單站設站方式的優化。采用單站方式布置的側掃雷達系統，由于只有1組測量數據，只能施測區域內流速矢量的一個分量，即不能完整施測流場的流速分布情況。從測驗斷面來看，只能測量表面流速垂直于斷面的分量，不能測量水平分量。因此，雖然單站雷達也能覆蓋扇形區域，測量每個位置的徑向流速，但在映射到測驗斷面時，只有一個統一的角度旋轉。當表面流速紊亂時，單站側掃雷達不能較好測量流速實際情況，數據不穩定。

單站方式一般適用于區域流場平穩、順直的河段，流向相對均勻，可以根據斷面實際情況，將側掃雷達所測的徑向流速數據統一旋轉到正確的水流方向，就能夠真實反映監測現場的流場分布。如果現場流速流向比較亂，且只能以單站方式設站時，可以考慮以下途徑加強合理性分析，優化解算方法： 通過編寫小軟件，直接處理側掃雷達原始數據文件，旋轉不同角度，得到不同的矢量流場，結合現場情況，按照流場流速變化規律，分析確定各個小區域的流場，將不同的小區域流場組合為最終的側掃雷達監測流場。

（2）監測流速處理。當水面流速較大（一般大于2 m/s）時，由于受到水面橫向波動、船舶等因素的干擾，目前采用的側掃雷達系統數據處理軟件還不能較好地消除干擾，實測的水面流速可能會偏小。

5電子浮標監測龍口水面流速

5.1 工作原理

電子浮標主要用于自動化監測水面表層的流場情況，是一種集RTK定位模塊、無線通訊傳輸模塊、wifi模塊等為一體的實時定位通訊系統[4]。電子浮標有漂流設備內置RTK模塊，確保定位精度達到厘米級;客戶端中加入底圖能夠直觀化定位每一個漂流設備和測量船自身的位置，采用千尋系統用于實時定位;直立式漂流設備在存儲自身定位數據的同時，發送數據到遠程服務端，數據的安全性得到保障。

主要技術參數如下：

衛星系統為GNSS、GLONASS、北斗;

定位精度單點為2 m，CORS定位為2cm+1ppm;

網絡模塊為3.5G WCDAM;

入水深度大于0.5 m。

5.2數據分析

電子浮標實測數據可揭示2019年10月24～26日流速變化與龍口附近流速隨戧堤口門和落差變化的實際情況：24～25日流速逐漸增大，26日流速已開始逐漸減小，龍口最大流速出現在25日。具體可見表3。根據電子浮標施測龍口水面流態成果，統計計算龍口軸線最大流速與下游水舌處最大流速，總體上，水舌流速大于龍口軸線流速，兩者比值平均為1.102，也就是說水舌流速比龍口軸線流速約大10%，水舌距離龍口軸線平均為42.2 m。

從單個電子浮標運動軌跡來看，在龍口上下250 m范圍內，浮標運動反映水流實際變化，受來水、龍口水力因子即河道邊界條件影響明顯。浮標懸浮在水面（大部分在水下），直立方式向下游運動，真實記錄水面流態變化。從數據分析，龍口上60 m左右水流方向開始變化，逐漸向中軸線聚集，最后達到龍口時，基本在寬度約10 m主泓范圍繼續向下運動，當運動到下游70 m區域，流向又開始散開，并主要向河道右側運動，并在下游右側形成局部回流（圖5～6）。

從流速變化看，浮標在接近龍口10 m左右區域，流速突然增大約20%，最大流速出現在下游 約30 m區域，與前面流速測量等反映的河段最大流速區域基本一致。

6 應用效果評價及結論

在特殊情況下的流速測驗（如截流龍口流速測驗）中，受測驗環境限制無法使用傳統方法施測時，可采用無人機載電波流速儀、側掃雷達、電子浮標等測驗方式，施測結果良好，但同時也存在各自的局限性。

（1）無人機測流系統組裝操作簡單，能夠有效解放人力，提高工作效率，可輕易抵達人力所不及的危險地帶開展工作，大大提高安全系數，隨時隨地開展定點測量水面流速。在本次應急監測中，發現無人機應用中存在不足：①應加入姿態改正系統，通過姿態改正數據獲取的理論實測位置更加準確;②應加入成像系統，能夠實時確定測流所在位置;③應完善軟件系統，將地面控制站與測流系統整合到一起，同時可加入導入自定義底圖的功能，能夠更有效地開展工作。另外定點懸停受風力影響較大，精度較低，無人機定點位置并非實際測流位置，需要對數據做進一步解算和分析。因此無人機測量對現場人員操作及判斷水平要求較高。

（2）側掃雷達測流系統能不間斷實時測得大面積的高精度流速數據，通過形成的流速場成果，可清晰地觀察到目標范圍內流速場的變化，但儀器安裝條件較為苛刻，解算后處理難度較大。需做好儀器選型、站點查勘、測站特性分析、合理安裝、建立流量計算模型、比測率定及檢驗、投產運行相關工作。

（3）電子浮標測流能實時直觀地得到流速場中某一條流速線的數據，操作較為簡單，且在理論上精度最高。但是在測量中也存在以下問題：①數據通道打開后，不能及時了解數據收集情況，只能等浮標上岸下載數據時才知道采集數據的情況，影響流態及時收集;②設備不靈活輕便，使用中需要一定體力，在投放或移動過程中，顯得較為笨拙;③測量中只能了解單一浮標流態軌跡運動情況，不能完整了解河道完整水流變化，耗時較多。

綜上所述，3種流速測驗方法適用于特殊水情，是傳統方法無法施測時的有益補充，效果良好，也都有自身的適用條件和局限性。使用時應因地制宜，視條件變化來選擇合適的測驗方法。

參考文獻：

[1] 伍勇，田蘇茂，胡瓊芳，等. 大藤峽水利樞紐工程大江截流水文監測數據分析[R]. 宜昌：長江三峽水文水資源勘測局，2019.

[2] 武晶.? 無人機水文測流技術應用初探[J].? 水利科技， 2018， 161（4）：23-24.

[3] 林思夏，曾仲毅，朱云通， 等.? 側掃雷達測流系統開發與應用[J].? 水利信息化，2019（1）：1674-9405.

[4] 劉盾.? 浮標測流法在龍口流速測量中的應用[J].? 水道港口， 2017，38（4）：99-102.

（編輯：唐湘茜）

Research and application of key technology of velocity monitoring

in river closure gap of Datengxia Hydroproject

TIAN Sumao，ZENG Yali ， HUANG Tong

（Three Gorges Bureau of Hydrological and Water Resources Survey ， Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources， Yichang 443000，China）

Abstract： In November 2019， the main channel was closed for Datengxia hydroproject construction in Guangxi Zhuang Autonomous Region. During the period of river closure， because of adverse velocity measurement condition， the velocity in the gap cannot be measured by traditional ways. Therefore， three measurement methods of UAV radio wave current meter， side scan radar and electronic buoy were adopted. By the new methods， a large number of important parameters mainly containing the velocity in the gap were obtained， which provided an important basis for decision-making of the river closure. The measurement showed good effect and the adaptability and limitations of these three new methods. Generally， three new methods can be used as important substitutions to gain hydrological data when traditional ways are unavailable， and also can be continuously optimized according to the actual situation in the application process.

Key words： gap velocity measurement;? side scan radar; UAV radio wave current meter; electronic buoy; river closure; Datengxia Hydroproject of Guangxi Zhuang Autonomous Region