無人機測流應用在水文站應急測流的可靠性研究

曾 爽，羅詠濤

(四川省雅安水文水資源勘測局，四川 雅安，625000)

1 引言

水文站在遇到高洪時，漲率較快，漂浮物多，風浪大。鉛魚、電波流速儀需要纜道、ADCP需要測量船、雷達槍需要有橋梁支撐，諸如此類應用，都存在各種不便，隨著無人機技術(shù)的日益成熟，逐漸形成了無人機+行業(yè)應用的模式。近幾年水災害頻繁出現(xiàn)，以及應急監(jiān)測的迫切需要，無人機+水利應用開始出現(xiàn)并廣泛應用。無人機測流是水文測驗與無人機的完美結(jié)合，是專為水文應急監(jiān)測和水文調(diào)查量身打造的水文測驗方案。針對洪水時期常規(guī)應急監(jiān)測方法難以執(zhí)行的情況，利用無人機起飛便捷、不受地形影響的優(yōu)勢，加上高精度水文河道監(jiān)測設備，完美地解決了洪水期間應急監(jiān)測困難的問題。

2 無人機測流工作原理及優(yōu)點

2.1 無人機測流工作原理

由無人機搭載多普勒原理的測速儀器，應用多普勒效應(即移動物體對所接收到電磁波有頻移動效應)，根據(jù)接收到的反射波頻移量計算得出被測物體的運動速度。配合專用無人機測流軟件，可以實現(xiàn)在固定垂線，固定高度對水面進行測速，測速時，電波流速儀發(fā)射的微波斜向射到需要測速的水面上。由于有一定斜度，所以除部分微波能量被水吸收外，一部分會折射或散射損失掉。但總有一小部分微波被水面波浪的迎波面反射回來，產(chǎn)生的多普勒頻移信息被儀器的天線接收。測出反射信號和發(fā)射信號的頻率差，便可以計算出水面流速。

2.2 無人機測流的優(yōu)點

(1)精度高，無論是高程還是起點距，都可達到厘米級精度。

(2)操控性好，可通過操作遙控器上的按鍵，采集水邊、采集水位、測速。

(3)設備擴充性好，無人機可搭載水文設備、可搭載攝像設備，還可搭載其他設備。

(4)水面可視性強，設備搭載2個可切換的攝像頭，方便多角度觀測水面。

(5)符合水文工作習慣，軟件上的俯視圖、斷面圖符合水文工作習慣。

(6)坐標系精準，無人機飛行軌跡、飛行過程，可疊加在交通圖、影像圖上顯示。

(7)數(shù)據(jù)交換功能強，軟件可導出流量計算表。

(8)過程可回溯，軟件中的“重現(xiàn)飛行過程”“播放日志文件”功能，可再現(xiàn)測流過程。

(9)測流過程智能，系統(tǒng)可啟動一鍵測流，無人機沿航線飛行，自動懸停測速。

3 無人機測流在滎經(jīng)水文站使用分析

3.1 滎經(jīng)水文站基本概況

滎經(jīng)水文站建于1951年12月1日，該站測驗斷面位于滎河與經(jīng)河匯合口下游約1.5km，由于基本水尺斷面與測流斷面不一致，故在1956年6月1日將基本水尺斷面上遷60m與測流斷面重合，稱滎經(jīng)(二)站。滎經(jīng)(二)站地處滎經(jīng)縣大田壩鄉(xiāng)新文村，站址坐標為東經(jīng)102°51′、北緯29°49′，集水面積1694km2，高程系統(tǒng)采用吳淞基面，距上游滎經(jīng)縣城約4km，距河口27km，多年平均徑流量超過30億m3。該站測驗項目有降水、水位、流量、泥沙等，屬國家三類精度站。

滎經(jīng)河屬于山溪性河流，水深、流速都較大，河床較為穩(wěn)定，該站水位流量關(guān)系多為多線型，大多數(shù)漲水時間都在深夜，且受上游電站調(diào)水影響，水位漲率較大，陡漲陡落，所以漲坡測流很困難。

3.2 無人機搭載電波流速儀測流水面流速系數(shù)率定

3.2.1 比測方法

在轉(zhuǎn)子式流速儀測驗的相同級水位，相同垂線進行電波流速儀測速，兩者的相應水位基本相同，分別進行流量計算，得到兩種流速儀測驗的流量成果，并進行比測分析統(tǒng)計及計算。

3.2.2 比測資料系列

根據(jù)滎經(jīng)站2020年在不同水位級采用兩種流速儀所測的流量成果(轉(zhuǎn)子式流速儀測得實際流量，無人機搭載電波流速儀測得虛流量，且符合GB 50179-2015《河流流量測驗規(guī)范》要求)，以轉(zhuǎn)子式流速儀測量值為真值，電波流速儀測量值為虛值，進行比較分析及誤差統(tǒng)計。并對比分析相同垂線下無人機0.0和流速儀0.6的流速分布情況(如圖2)，流速分布走向基本一致，且與斷面形狀基本對應。

圖1 2020年滎經(jīng)站斷面

圖2 V電波0.0與V流速儀0.6高中低流速對比分布

滎經(jīng)水文站2020年無人機搭載電波流速儀和LS25-1轉(zhuǎn)子式流速儀比測資料及誤差分析見表1。

表1 滎經(jīng)(二)站流速儀與無人機測流流量誤差

3.3 系數(shù)分析

分別建立無人機搭載電波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀水位流量關(guān)系，經(jīng)三線檢驗合格，其中電波流速儀隨機不確定度為8.6%，系統(tǒng)誤差-1%，轉(zhuǎn)子式流速儀隨機不確定度為6.4%，系統(tǒng)誤差為0.0%，均符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)要求。

建立無人機搭載電波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀所測流量關(guān)系曲線，得出無人機搭載電波流速儀系數(shù)見圖3，流速儀流量與電波虛流量關(guān)系式為Q=Q0.0×0.86-64.4。

圖3 滎經(jīng)(二)站2020年流速儀與無人機測流流量關(guān)系

3.4 誤差計算

誤差分析參照《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)中測量精度要求，其相對誤差及標準差計算公式如下：

式中：δ——測量誤差，用百分數(shù)表示(%)；

Q虛——電波流速儀測得的虛流量；

Q實——轉(zhuǎn)子式流速儀測得的實際流量；

SY——相對標準差(%)；

Y——算術(shù)平均值；

Yi——第i個測量值。

將60份流量作關(guān)系檢驗，各項檢驗均合理，成果如下：

(1)誤差水平

系統(tǒng)誤差：P=0%。

相對誤差在±3%以內(nèi)的合格率：P=55%。

相對誤差在±5%以內(nèi)的合格率：P=83.3%。

相對誤差在±8%以內(nèi)的合格率：P=90%。

相對誤差在±12%以內(nèi)的合格率：P=96.7%。

(2)符號檢驗

正號個數(shù)k=26，負號個數(shù)k=34，測點總數(shù)n=60，顯著性水平a=0.25，u=0.9，u(1-a/2)=1.15，u

(3)適線檢驗

變換符號次數(shù)k=35，測點總數(shù)n=60，k>0.5(n-1)，免作此檢驗。

(4)偏離系數(shù)檢驗

平均相對偏離值的標準sp=0.6%，統(tǒng)計量t=-0.95，顯著性水平a=0.1，臨界值t(1-a/2)=1.67，│t│

(5)測點標準差

測點總數(shù)n=60，實測流量標準差Se=4.6%。

4 結(jié)論

通過對比測資料進行系統(tǒng)地分析，可以發(fā)現(xiàn)無人機搭載電波流速儀在滎經(jīng)水文站測流精度較高，滿足《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179-2015)浮標法測流精度標準，符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)要求，可以作為滎經(jīng)水文站中高水(Z>738.50m)測流的應急測驗方法，其使用系數(shù)為Q=Q0.0×0.86-64.4。

采用無人機搭載電波流速儀實測流量，具有測驗設施安裝簡單、不受水草、纜道、漂浮物影響，安全可靠、可以在較為復雜的水流情況下進行水面流速的測定，不僅可以降低人工測量的危險系數(shù)，而且可以提高流速準確度，還可以高效地完成洪峰流量的應急監(jiān)測工作。因此，可以提前為下游做出可靠的預警預報信息，從而為城鎮(zhèn)低洼地段受威脅群眾爭取到寶貴的撤離時間。無人機搭載電波流速儀是一種值得在超警戒洪水以及需要對洪水淹沒進行分析和預判推廣應用的測流手段。