智能浮標測流系統在遼寧地區流速系數的測定

崔 巍

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

超標準洪水現有測量形式為無人機投放自制簡易浮標、投浮索投放簡易浮標、觀測中泓浮標、比降面積推流等方式[1]。這些測量形式存在超標洪水觀測攜帶的全站儀等儀器設備多，測量位置局限，受惡劣天氣影響誤差較大，數據實時處理上報效率低等弊端[2]。我國浮標測流技術起步較早，但對浮標測流技術的研究與國外其他先進國家還有一定程度的差距[3]，主要在浮標承載設備指標、觀測誤差上存在一些差距，當前國內的浮標測流系統傳感器采用自主研發技術的還較少，主要還是采用國外進口傳感器。此外在衛星通信上面也存在一定差距，近些年來，北斗衛星通信技術在國內許多地區河流流量測驗中得到具體應用[4-12]，但在浮標測流上應用還較少，為此文章基于北斗衛星作為通信信道，結合遙測技術構建智能浮標測流系統，并首次在遼寧地區進行比測分析，研究成果對于超標洪水自動化、便捷化、實效化測報能力的提升具有重要的研究意義。

1 智能浮標集成裝置組件

1.1 浮標設計

智能浮標設計及定位采用3D打印技術，綜合考慮了超標洪水波浪運移翻滾等綜合條件，在浮標外形上充分針對河流超標水體特點進行設計，采用流線型設計，入水部分采用磨砂工藝來增大外殼摩擦力，大幅避免了浮標與水體移動形成的數據變差。

在防水設計上對流線型外殼進行了專門的防水設計，達到了IPX5級防水，避免了可能出現漏水和滲水等現象，保護了浮標內部的電子設備。外殼采用高強度環保工程塑膠，產品尺寸僅有20cm，重量僅0.5kg。浮標內部結構圖如圖1所示。

圖1 浮標內部結構圖

1.2 定位模塊

衛星定位模塊優先采用國內自主研發的北斗導航衛星定位系統，該系統定位的準確度、實施有效性以及通信功能都有很多優勢，北斗導航衛星定位系統具有短報文通信這一特殊功能，可以保障重要區域信息的安全穩定傳輸，在國內的信號覆蓋程度也較高，尤其是偏遠地區河流的信號覆蓋，且傳輸通信性價比也非常高，但其單次數據存儲的容量相對較低。衛星定位模塊利用差分定位原理，以北斗通信模塊為主，GPS通信模塊為輔，提供亞米級的高精度定位功能，保障了數據的精度；定位終端融合了GSM網絡及北斗衛星系統定位技術，具有設備實時定位追蹤、軌跡回放、位移、越界及震動報警功能，搭配手機端及電腦端位置服務平臺，可實現設備遠程控制管理及客戶端應用。

1.3 數據收發

采用4G通信方式進行數據的傳輸，保障了數據高傳輸速率安全可靠的數據通信模塊，實現雙向交互通信，為保障鏈路暢通，傳感器優先考慮了高精度、高可靠、少耗電等功效，集成控制智能模塊式設計，即時控制開關，簡易開啟即開始接收衛星、自動定位、數據收發等工作的運行。

1.4 數據算法

流速儀法按照測量原理分為旋槳式流速儀、電磁式流速儀、超聲波流速測算儀，精度相對于傳統浮標法要高，適用于測流環境比較好的情況，當發生大水或者水體較為復雜時，會發生較大的系統偏差。智能浮標放在河流中順水行進，浮標內部定位及通信模塊每隔1秒采集一次浮標位置，發送到中心的監測軟件上，監測軟件收到數據后，對數據進行過濾，去除無效數據點，然后根據水流特征算法對流速和流向進行計算，計算出的結果顯示在監測軟件上。GPS定位系統不僅可以獲得接收機的空間位置，還可以求得接收機的運動速度。首先對測流浮標系統的位置進行定位，其中L、B、H分別表示經緯度和高程。通過高斯投影方法對定位系統采集的高程和經緯度進行坐標轉換。通過系統接收機所在位置來對其測定的水流流速進行位移求導，結合在t1和t2兩個假定計算時刻接收機的坐標位置Xi(t1)和Xi(t2)進行速度的轉換計算：

(1)

接收機的綜合速率V計算方程為

(2)

2 遼寧地區不同類型河道比測分析

根據不同的起點距拋投多個智能浮標，通過計算垂線流速計算流量。對遼寧省多條山丘區河流及平原區河流分別采用流速儀法、ADCP結合智能浮標，根據GB 50179—2015《河道流量測驗規范》開展智能浮標流速系數測驗工作，并進行相關分析，推求智能浮標流速系數。

2.1 智能浮標流速系數測定分析

浮標流速系統受測流外界條件影響較多，流量主要通過流速和測流過水斷面面積間接計算得到。過水斷面的測流橫斷面為其河流的中泓線，中泓浮標測流流速主要從其上下游斷面進行水面流速平均值的測定和計算，用該流速和斷面面積進行累積相乘得到斷面虛流量值，中泓浮標測流流速系數的精準和穩定決定了測流的精度，利用河槽改正系數KW對流速系數的校正，進一步推求流速量系數，計算方程為

KW=Af/Ac

(3)

Af=(Au+4Am+A1)/6

(4)

式中，KW—河槽改正系數；Af—浮標測流河段平均斷面面積，m2；Ac—流速儀測流斷面面積，m2；Au—浮標上斷面面積，m2；Am—浮標中斷面面積，m2；A1—浮標下斷面面積，m2。主要對其測流誤差進行控制，采用比測分析方式結合人工測定值和浮標測流值進行誤差的擬合分析，擬合度越高，表明其誤差程度越低，反之誤差較大，誤差R2計算方程為

R2=ssreg/sstotal

(5)

式中，sstotal—總平方和；ssreg—回歸平方和。結合流速系數計算和誤差分析方法，對遼河段、渾河段平原區、太子河段山丘區及部分遼西山地丘陵區中小河流進行現場實驗比測分析，確定智能浮標中泓一點法流速系數，比測結果見表1。

表1 不同河段智能浮標中泓一點法流速系數表

從不同河段智能浮標中泓一點法流速系數比測分析結果可看出，采用智能浮標系數下測定的流量誤差均在±5%以內，滿足GB 50179—2015流量比測的精度要求，不同河段的中泓一點法流速系數具有較為明顯的河道地形特征，這主要是因為中泓一點法流速系數和河道流速具有較高的相關性，最大流速越高，其中弘一點法流速系數也相對較高。遼河段的流速系數總體在0.25～0.63，最低的為遼中水文站，福德店水文站的流速系數最高。渾河和太子河河段主要流經遼寧的沈陽、遼陽、本溪等城市段，選取的各比測水文站的中弘一點法流速系數也較高，小林子水文站流速系數最低；遼陽水文站的最高，為0.71。平原區河段水文站中，大河泡站由于坡度較平，最大流速也較低，其流速系數也最低；彰武水文站的流速系數最高，達到0.80。從山丘區中小河流水文站的流速系數介于0.29～0.69，南口前的流速系數最高，東陵水文站流速系數最低。

2.2 智能浮標綜合流速系數計算

在不同河段智能浮標中泓一點法流速系數計算基礎上，對不同最大流速區間下各河段的智能浮標綜合流速系數進行計算，結果見表2。

表2 智能浮標中泓一點法綜合流速系數表

從智能浮標中泓一點法綜合流速系數可看出，遼河、渾河、太子河不同最大流速下的流速系數不同，當最大流速為0.5～1.0m/s時，渾河段流速系數最高，達到0.81，且平原區中小河流明顯高于山丘區中小河流的流速系數。當最大流速為1.0～2.0m/s時，各河段流速系數較為接近。當最大流速高于2.0m/s時，遼河段的流速系數最低，渾河和太子河河段流速系數相同，除最大流速為1.5～2.0m/s，平原區中小河流流速系數總體高于山丘區中小河流流速系數。綜合流速系數取值可依據超標洪水現場外部條件等各種因素綜合上下浮動。

3 結語

(1)文章結合比測分析方法，給出了不同最大流速范圍內的遼河、渾河、太子河河段以及平原區和山丘區中小河流的智能浮標中泓一點法綜合流速系數，在具體應用時水流出槽漫灘后，建議對其綜合流速系數進行削減調整，并依據超標洪水現場外部條件等各種因素綜合上下浮動。

(2)智能浮標可通過SIM卡將測得的數據實時傳輸到系統平臺，現場工作人員和非現場工作人員可以同時看到測報成果，提高了極端天氣和超標洪水測報的數據獲取的便捷程度。

(3)對于水勢較陡的山區河流高洪應急測流情況，由于其流量隨機性較強，測驗難度和精度也會受到影響，建議多次測量并對流速進行實時比測分析。