無人機在松遼流域應急水文監測中的應用

肖 飛，柳 恒，吳曉東，陳建平

（松遼委水文局嫩江水文水資源中心，黑龍江齊齊哈爾161000）

1 工作現狀及需求

松遼流域大部分河流的下游多為平原區，河谷寬廣，分布著廣闊的河漫灘，發生洪水時形成跑灘，漫灘水面寬幾公里至幾十公里，流域出現堤防潰口、分洪和重大突發性水污染等事件時，現場應急水文監測條件差，傳統監測設備如纜道鉛魚、旋槳測流儀，均無法下水作業；走航式ADCP、雷達波測流儀等屬于接觸式測驗設備，需要到達水邊現場，當水流湍急或惡劣天氣環境時，測驗設備和人員的安全無法得到保障，監測距離有限，工作任務完成的時效性差，因此，這些設備無法有效完成具有遠距離探測、快速響應特點的應急水文監測任務。

無人機水文測流系統是一種新型測流技術，通過無人機平臺搭載雷達測速儀，在河道斷面指定垂線開展非接觸式測流。通過歷次應急水文監測工作的實踐，無人機測流系統符合應急監測工作時效性、安全性的要求。目前，無人機測流系統主要根據我國主要河流的共性來設計，沿用統一的數學模型，投入使用前需針對不同的河流水流條件進行比測率定分析，確定出不同水流條件下的水面流速系數。因此，基于松遼流域內不同河流特點，使用無人機測流系統設備，通過比測率定出不同水流條件下的水面流速系數樣本，建立無人機綜合測流方案。在具體應用中，針對應急水文監測時的水流條件，自動選擇對應的測流方案。

2 研究分析

2.1 黑龍江四嘉子河流速比測

黑河市愛輝區黑龍江支流四嘉子河水面寬約20.00 m，平均水深0.60 m，施測最大流速0.84 m/s、最小流速0.42 m/s，屬于小河流，水流平緩。表面流速通過測桿懸吊旋槳流速儀涉水和無人機懸停兩種方法同時施測，無人機懸停高度15.00 m，兩種方法測得表面流速相近，5個測點的平均流速比為0.94，2號測點為急流，其他測點為穩流，結果見表1。

表1 四嘉子河表面流速比測結果

2.2 嫩江水文站流速比測

嫩江水文站測驗斷面位于嫩江市江邊公園附近，河段順直長約600.00 m，平水期水面寬200.00 m，實測最大流速超過3.00 m/s。施測7條斷面垂線流速，比測時，該站發生一般洪水，右岸出現跑灘，現場風力大，無人機懸停高度50.00 m。

嫩江水文站洪水跑灘，6，7號垂線位于灘地上，因右岸跑灘斷面上游有公路穿過，7號垂線向右灘地形成死水和回流，施測的流速接近為零。斷面主槽最大水深7.00 m，流速較大，水流湍急。兩種方法的多數測點比值較接近，平均比為0.60，詳見表2。

表2 嫩江水文站斷面表面流速比測結果

2.3 嫩江尼爾基水庫壩下大橋斷面比測

該測驗斷面位于尼爾基水庫壩下約1 000.00 m公路橋處，斷面水面寬約750.00 m，最大水深5.00 m，河底斷面呈“W”型，斷面中間流速大，兩岸流速較緩，左岸邊有時會出現回流。施測9條斷面垂線流速，無人機懸停高度25.00 m。兩種方法的多數測點比值較接近，平均比為0.67，詳見表3。

表3 尼爾基水庫壩下大橋斷面表面流速比測結果

2.4 比測數據分析與率定

1）表面流速誤差分析與率定

從無人機測流系統分別在3種水流條件下表面流速比測的結果可以初步得出：流速小于1.00 m/s的河流，表面流速比均值為0.94；流速小于2.00 m/s且不小于1.00 m/s的河流，表面流速比均值為0.67；流速不小于2.00 m/s的河流，表面流速比均值為0.60。經過初步率定，得出該無人機測流系統在不同水流條件下的測速精度，可初步應用到流域內河流水文監測工作中。

2）斷面定位誤差分析

在尼爾基水庫壩下大橋斷面，用測量繩固定出各條垂線水平距離，再測量出無人機懸停在各條垂線的實際位置，通過比較得出無人機定位精度，對比情況見表4。無人機測流系統的參考站與飛行器之間采用GPS差分模式定位，水平定位精度為厘米級，通過比測數據可以看出其定位精度能控制在厘米級。

表4 無人機懸停位置與實際水平距離對比（尼爾基壩下大橋斷面）

3）流量計算誤差分析

產生誤差主要是斷面垂線定位誤差和垂線表面流速換算平均流速的誤差。表面流速與平均流速換算關系依據水文規范給出的經驗系數，其引起的誤差屬系統誤差，采用走航式ADCP測流時，對應垂線的平均流速與無人機施測的垂線表面流速同步換算，抵消了兩者換算產生的誤差。因此，流量計算產生的誤差主要是斷面面積計算過程中產生的，如斷面垂線選取的代表性好時，流量計算誤差會很小。以ADCP走航式測得流量為參考值，從兩次比測試驗計算的流量來看，相對誤差均小于5.0%，滿足流量測驗規范要求，誤差對比情況見表5。

表5 無人機測流系統實測流量與ADCP走航式實測流量誤差對比

3 改進方向

該無人機測流系統在2021年嫩江流域多次洪水應急水文監測中得到實戰應用。通過比測分析、多次測試和升級，系統測驗方案在嫩江水文站、白沙灘水文站洪水期水文測驗中發揮重要作用，同時，在實際應用中也發現以下幾方面應進行改進：

1）升級無人機掛載系統

無人機在測流飛行中，受機身氣動效力和外界風力等因素影響，震動較大，影響機體穩定性，導致雷達測流儀測速精度降低。下一步，升級改進無人機測流系統掛載的機械機構，優化任務載荷布置，增強整個無人機平臺的防抖抗震能力。

2）優化數據傳輸方式

優化原有數據傳輸方式，提升數據傳輸距離和抗干擾能力。增加備用數據傳輸通道，保證數據傳輸的可靠性。

3）升級數據采集分析管理平臺軟件

對現有數據采集分析管理平臺軟件進行升級，增設不同流域、河流、水流條件等的選擇模板，可對模板內相關水文參數進行實時修訂。實現自動測流和數據接收入庫查詢，測流數據的現場展示，自動計算斷面流速、流量，并生成相關成果報表。

4）強化率定，探索無人機測流規律，提高成果精度

應繼續強化比測率定工作，在松遼流域主要河流及防汛重要河段，如黑龍江、松花江、遼河等都要進行與傳統測流方法比測，采集洪水期間測流數據，分析表面流速與斷面流速關系，率定不同水流條件時無人機測驗相關參數，繼續探索無人機水文測流規律，提高水文監測成果質量。

4 結語

此次比測分析的河流斷面涉及大江大河、中小河流，水流條件有平水期和洪水期，比測項目為斷面定位精度、水流表面流速等，通過斷面面積和流速推求流量，分析的范圍和要素比較全面，比測方法符合水文規范要求，比測實例具有很好的代表性。

從比測結果來看，無人機測流系統斷面定位精度非常高，為厘米級，完全滿足流量測驗規范精度要求；初步研究出該無人機測流系統在不同水流條件下的表面流速系數比的規律。率定所得的流量成果與常規測流方法進行比較，誤差精度滿足流量測驗規范要求。因此，通過分析率定，該無人機測流系統測驗成果精度得到了有效驗證，可以在松遼流域應急水文監測工作中投入使用。