雙系統(tǒng)組合雷達(dá)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在臨沂水文站的應(yīng)用

王 凱 陳奉麗 張 洪

（山東省臨沂市水文中心 臨沂 276001）

1 水文站概況

臨沂水文站為國家重要水文站，設(shè)立于1950年4月，系沂河干流控制站，流域面積10315km2，大中型水庫以下流域面積5194km2，河道干流長227.8km、平均坡度0.96‰，流域形狀呈扇形。2020年初，根據(jù)臨沂水文站的實(shí)際情況，淮委水文局聯(lián)合河南黃河水文科技有限公司，實(shí)施了YRCC.RG-1/2/3 型雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)，創(chuàng)造性地將雙系統(tǒng)組合雷達(dá)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)模式應(yīng)用于較寬河段斷面，實(shí)現(xiàn)了水位、流量數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。

2 雙系統(tǒng)組合雷達(dá)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)通過控制多個(gè)雷達(dá)傳感器同步采集水位、水流表面流速，經(jīng)率定后建立斷面平均流速以及河道實(shí)時(shí)流量計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測。適用于能夠建立表面流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系的河道、渠道等明渠流量自動監(jiān)測。

2.2 數(shù)據(jù)采集傳輸

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

（1）通過數(shù)據(jù)采集終端（RTU）采集流速、水位、風(fēng)速風(fēng)向、工況等數(shù)據(jù)。

（2）系統(tǒng)工作體制為平安報(bào)、自報(bào)（段制需要設(shè)定）、加報(bào)（需要設(shè)定增量）和查詢應(yīng)答（召測）工作方式。

（3）RTU 支持遠(yuǎn)程下載數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程時(shí)鐘校準(zhǔn)。

（4）RTU 每天0 時(shí)自動校時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一以服務(wù)器時(shí)鐘為準(zhǔn)。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸

（1）本地?cái)?shù)據(jù)傳輸。通過數(shù)傳電臺將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜厮恼荆瑴y站（駐測站）管理人員能實(shí)時(shí)分析、處理數(shù)據(jù)和報(bào)汛。

（2）RTU 到數(shù)據(jù)中心主信道。GPRS 作為數(shù)據(jù)通訊的主信道，RTU 通過GPRS 把數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)存儲、處理和使用。

（3）備用信道。主要報(bào)汛數(shù)據(jù)需要配置備用信道。當(dāng)GPRS 出現(xiàn)故障，無法傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，自動啟用北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)終端（備用通道）將數(shù)據(jù)及時(shí)地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

（4）局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。具備內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源的，RTU 可以直接接到光纖網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）傳輸至本地水文站和數(shù)據(jù)中心。

2.2.3 系統(tǒng)軟件

定制開發(fā)專用水位流量在線監(jiān)測應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)接收、處理、查看以及控制、接收、存儲測站的水文數(shù)據(jù)、計(jì)算成果、繪制各類圖形、數(shù)據(jù)整理分析等。

3 系統(tǒng)在臨沂水文站的安裝設(shè)計(jì)

3.1 橋測雙系統(tǒng)組合雷達(dá)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備安裝

臨沂水文站的測驗(yàn)河段基本順直，斷面位于國道G327 線沂河大橋上游側(cè)，斷面寬（即主橋長）1442m，主槽相對固定，斷面沖淤變化不大。為更好解決斷面較寬和測驗(yàn)精度問題，經(jīng)綜合分析，確定采用YRCC.RG-1/2/3 型雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)中的“橋測雙雷達(dá)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)”在線模式，將系統(tǒng)設(shè)備分為兩組安裝，兩組在斷面中間處有所交叉，采集數(shù)據(jù)由2 套數(shù)據(jù)采集終端來完成。這樣既可以有效減小線路傳輸距離，又可以在一組故障情況下另外一組仍可提供有效測流數(shù)據(jù)。

3.2 雷達(dá)測流傳感器布設(shè)

測流設(shè)備安裝在公路橋側(cè)面或下面，布置10條垂線，每條垂線對應(yīng)安裝1 臺非接觸雷達(dá)測流傳感器，10 條垂線的起點(diǎn)距分別是：1#-285m、2#-435m、3#-585m、4#-705m、5#-795m、6#-885m、7#-975m、8#-1065m、9#-1215m、10#-1315m，雷達(dá)水位計(jì)安裝在6#垂線位置，此處水深最深，具體位置可在安裝時(shí)適當(dāng)微調(diào)。

3.3 流量計(jì)算模型

雷達(dá)測流傳感器布設(shè)的位置和數(shù)量確定后，就可以由此建立相應(yīng)的流量計(jì)算模型。本次系統(tǒng)構(gòu)建中，流速采集（10 個(gè)傳感器）分配為交叉（交叉斷面775m 為洪水主流）獨(dú)立運(yùn)行的兩個(gè)分系統(tǒng)，數(shù)據(jù)全部到達(dá)信息中心（或水文站）后，后臺構(gòu)建流量模型計(jì)算實(shí)時(shí)流量。當(dāng)斷面上下游河段水體表面出現(xiàn)暢流狀態(tài)流場分布特征，水面流速超過一定閾值（一般為0.3～0.5m/s），能夠啟用雷達(dá)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行流量監(jiān)測。

3.3.1 模型Ⅰ

兩個(gè)分系統(tǒng)運(yùn)行正常，全部10 條垂線雷達(dá)測流傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)參加流量計(jì)算，其表達(dá)式為：

式中：

Q1—全系統(tǒng)在線流量；

K1—全系統(tǒng)流量綜合系數(shù)（斷面實(shí)際流量與雷達(dá)波測流系統(tǒng)水面流速計(jì)算的虛流量比值）；

α左、α右—左、右岸岸邊流速系數(shù)；

Ai—第i 和i-1 條垂線間的面積，根據(jù)測時(shí)水位大斷面資料計(jì)算；

Vi—第i 條垂線的流速。3.3.2 模型Ⅱ

兩個(gè)分系統(tǒng)中系統(tǒng)1出現(xiàn)故障、系統(tǒng)2運(yùn)行正常，采用系統(tǒng)2 的5 條垂線雷達(dá)波測流傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)參加流量計(jì)算，其表達(dá)式為：

式中：Q2—系統(tǒng)1 在線流量；

K2—系統(tǒng)1 流量綜合系數(shù)；

α左、α右—左、右岸岸邊流速系數(shù)；

Vi—第i 條垂線的流速。

3.3.3 模型Ⅲ

兩個(gè)分系統(tǒng)中，系統(tǒng)2 故障，系統(tǒng)1 運(yùn)行正常，采用系統(tǒng)1 的5 條垂線雷達(dá)波測流傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)參加流量計(jì)算，其表達(dá)式為：

式中：Q3—系統(tǒng)2 在線流量；

K3—系統(tǒng)2 流量綜合系數(shù)；

α左、α右—左、右岸岸邊流速系數(shù)；

Vi—第i 條垂線的流速。

4 系統(tǒng)在臨沂水文站的應(yīng)用效果

4.1 洪水測驗(yàn)

臨沂水文站非接觸雷達(dá)在線測流系統(tǒng)于2020年7月上旬投入運(yùn)行，經(jīng)歷了8月份沂河大洪水的考驗(yàn)。2020年“8·14”典型暴雨洪水過程，臨沂水文站采用傳統(tǒng)測流車流速儀和ADCP 橋測，人工實(shí)測流量19 次，于14日19 時(shí)07 分采用ADCP 法實(shí)測洪峰流量10900m3/s。橋測雙系統(tǒng)組合雷達(dá)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工實(shí)測數(shù)據(jù)高度擬合，高洪時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，精度可靠，達(dá)到了提高流量監(jiān)測實(shí)效性的目的。數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 臨沂水文站人工實(shí)測流量與實(shí)時(shí)在線流量對照表

4.2 比測分析

該系統(tǒng)經(jīng)2020年和2021年歷次洪水測驗(yàn)運(yùn)行，大洪水時(shí)數(shù)據(jù)代表性較好，現(xiàn)選取2020年“8·14”典型暴雨洪水，對橋測雙系統(tǒng)組合雷達(dá)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和臨沂水文站流速儀橋測、走航式ADCP 橋測數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析。

在圖1 水位流量過程線圖中，點(diǎn)據(jù)為人工實(shí)測流量數(shù)據(jù)，通過對1000 流量以上的人工與自動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.997。

圖1 水位流量過程線圖

圖2 為不同起點(diǎn)距位置的流速傳感器所測流速與走航ADCP 的所測相應(yīng)位置的水面表面流速的對比，從圖中可以看出流速分布合理，符合天然河道河速分布特性，且雷達(dá)探頭與走航ADCP 兩者所測數(shù)據(jù)高度一致。

圖3 為人工與自動流量數(shù)據(jù)對比圖，點(diǎn)據(jù)的橫坐標(biāo)為人工流量，縱坐標(biāo)為相應(yīng)時(shí)間段的自動流量。從圖3 中可以看出人工與自動流量數(shù)據(jù)密集在40°直線附近，說明在線流量與人工實(shí)測流量高度相關(guān)。

圖3 人工與自動流量數(shù)據(jù)對比圖

5 結(jié)語

雙系統(tǒng)組合雷達(dá)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)模式應(yīng)用于較寬河段斷面，實(shí)現(xiàn)了水位、流量數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。該項(xiàng)技術(shù)是國內(nèi)首次開發(fā)研制并投入應(yīng)用，可以很好地解決典型河段斷面較寬、在線監(jiān)測等難題。臨沂水文站非接觸雷達(dá)在線測流系統(tǒng)于2020年7月上旬投入運(yùn)行，經(jīng)歷了8月份沂河大洪水的實(shí)際應(yīng)用，較大洪水（臨沂流量在2000m3/s 以上）時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，精度可靠，達(dá)到了提高流量監(jiān)測實(shí)效性的目的，為防汛預(yù)警預(yù)報(bào)提供了及時(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

由于臨沂水文站測驗(yàn)斷面較寬，中小洪水期間測站上下游水利工程運(yùn)用對洪水特性影響較為明顯。在垂線水深較大，水面流速較小（一般小于0.3m/s時(shí)），流速傳感器適應(yīng)性不夠準(zhǔn)確，中小規(guī)模洪水在線流量的綜合流量系數(shù)K 值的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步比測分析■