側掃雷達在線測流系統研究與應用

鄒 巍，胡春杰，嵇海祥，郁 婷

（1.江蘇南水科技有限公司,江蘇 南京 210012；2.水利部南京水利水文自動化研究所,江蘇 南京 210012）

0 引言

河道流量測量是水文工作的重要內容之一,涉及防洪安全、水文水利計算、水資源評價等各個方面,對掌握水情與水資源狀況,進行防汛減災、調配水資源的基礎建設具有十分重要意義。目前面對特大洪水的河道流量監測手段很少,傳統的流量監測手段都是基于接觸式測量,常用設備包括機械型轉子式流速儀、浮標法、ADCP 等,并且該類測量設備必須浸于水體,人工參與度高,測量周期長,汛期危險性高,因此常規測驗手段無法完成應急測量任務[1-3]。

側掃雷達在線測流系統是一種新型的河流流量監測技術,能實現大江大河的流量在線實時監測。采用非接觸式雷達技術,實現對河流表面流速進行連續監測,并提供網絡數據服務,通過水位、過流面積、斷面表面流速比的數據交互,完成流量數據網絡合成,從而實現全天候、連續自動河流流量監測與數據傳輸。其環境適應性強,受氣象條件影響很小,不僅適用于常規流量監測,而且適用于惡劣天氣、應急測量、高洪多漂浮物、漫灘、河面結冰（初期薄冰）等惡劣環境的流量監測。

本文針對側掃雷達測流系統測流過程中所要注意和處理的技術問題展開探討,并結合水利部水文司組織“新技術在水文測報中的研發推廣”之“基于側掃雷達的在線流量監測系統研發示范”專題研究工作,在云南允景洪水文站安裝了側掃雷達在線測流系統。通過水文纜道牽引SONTEK-M9 型走航式ADCP 獲取河流斷面流速,開展比測分析。

1 側掃雷達測流工作原理

側掃雷達是利用多普勒效應進行測速,充分地利用了水流表面的Bragg 散射特性,當側掃雷達測流儀發射的電磁波信號投射到水面時,會與水面的波浪發生相互作用。當波浪長度是電磁波波長的一半時,會對電磁波信號產生最強的后向散射。利用水流表面的Bragg 散射特性來獲取河流表面多個分單元流速[4],根據有效單元流速推出平均流速；結合同步監測水位,根據河流斷面資料獲得實時過流面積,從而實現實時流量在線監測。

雷達安裝在河岸上,天線主軸垂直于河流,可根據設定定時或實時進行表面流場測速,不僅提供斷面平均流速,還提供表面流場的二維各網格點流速流向,側掃雷達測量單元示意圖見圖1。

圖1 側掃雷達測量單元示意圖

側掃雷達測流儀測量斷面流速并將流速數據發送到云端的數據平臺,數據平臺通過斷面資料、水位和流速數據合成流量數據。

從每個距離段的回波頻譜提取出水體的表面流速,依據頻譜的信噪比計算置信度,每個距離段的表面流速和置信度就是測流系統的基礎數據。將基礎數據按距離排序,同時計算出平均表面流速v 表面和總置信度。

根據指標流速法將平均表面流速與實測流速建立相關關系,進而求出斷面流量。

式中：Q為過水斷面流量；A為斷面面積；k為表面流速與實測流速的相關系數。

圖2 側掃雷達系統工作流程圖

2 系統組成

側掃雷達在線測流系統主要由1 組發射天線、3 組接收天線、1 個綜合機箱、4 根饋線電纜、1 個支撐架、1 根電源線及1 根數據接口線組成。綜合機箱中有1 個發射模塊、1個3 通道接收模塊、1 塊3 通道信號處理板、1 個電源、1 個接口板及信息處理軟件等組成。

圖3 側掃雷達系統組成

3 數據比測分析

3.1 側掃雷達表面流速比測

采用水文纜道牽引走航式ADCP（M9）在斷面下游約26 m 處進行往返2 個測回得到4 次流量,將4 次流量取得的表層流速橫向分布數據投影至側掃雷達測驗斷面,分別計算側掃雷達獲取指標流速各測點位置相對應的ADCP 水面流速均值,通過比對高水測次、中水測次、低水測次流速分布情況如下：

（1）高水測次分析成果

2021 年5 月14 日,測時水位538.29 m,屬于高水位級,比測結果見表1。從圖4 可以看出,高水位級時側掃雷達表面流速相較ADCP 表層流速分布右岸偏小,從右岸向左岸偏大程度遞增。

表1 高水位級側掃雷達與M9 型走航式ADCP 表層流速平均值對比

圖4 高水位級側掃雷達表面流速與走航式ADCP 表層流速比測分析圖

（2）中水測次分析成果

2021 年3 月20 日,測時水位為536.69 m,屬于中水位級,比測結果見表2。側掃雷達水面測速單元26 個,選取有效流速單元22 個（起點距71.1 m～281.1 m）。從圖5 可以看出,中水位級側掃雷達表面流速相較ADCP 表層流速分布右岸波動幅度較大,中部一致,自中部向左岸側掃雷達表面流速較ADCP 表層流速偏大程度遞增。

表2 中水位級側掃雷達與M9 型走航式ADCP 表層流速平均值對比

圖5 中水位級側掃雷達表面流速與走航式ADCP 表層流速比測分析圖

（3）低水測次分析成果

2021 年9 月22 日,測時水位為534.98 m,屬于低水位級,比測結果見表3。側掃雷達水面測速單元26 個,選取有效流速單元22 個（起點距71.1 m～281.1 m）。從圖6 可以看出,中低水位級側掃雷達表面流速相較ADCP 表層流速分布右岸波動幅度較大,中部一致,自中部向左岸側掃雷達表面流速較ADCP 表層流速偏大程度遞增。

表3 低水位級側掃雷達與M9 型走航式ADCP 表層流速平均值對比

圖6 低水位級側掃雷達表面流速與走航式ADCP 二層流速比測分析圖

3.2 側掃雷達指標流速關系率定

3.2.1 側掃雷達指標流速計算

允景洪水文站雷達流速單元共有26 個,從雷達起點距61.1 m～311.1 m,每10 m 為1 個單元,分析側掃雷達的指標流速采用可信度大于80%的單元水面流速取算術平均計算。本次流速分析選擇雷達起點距71.1 m～281.1 m 共22 個在各水位級獲得可信度穩定大于80%的單元流速進行算術平均,作為側掃雷達指標流速,見圖7。

圖7 允景洪水文站側掃雷達流速單元分布圖

3.2.2 側掃雷達指標流速與斷面平均流速關系率定

本次流速關系率定共選取走航式ADCP（M9）流量測驗資料41 份。每份流量資料均采用兩個測回的均值作為比測流量。斷面平均流速采用走航式ADCP 流量除以斷面面積獲取。從圖8 可知,總體上側掃雷達指標流速和走航式ADCP平均流速變化趨勢基本一致。

圖8 平均流速趨勢對比分析圖

4 結語

允景洪水文站側掃雷達流速單元共有26 個,從雷達起點距61.1 m～311.1 m,每10 m 為1 個單元,分析側掃雷達的指標流速采用置信度大于80%（起點距71.1 m～281.1 m）的22 個單元水面流速取算術平均計算作為側掃雷達各測次指標流速,根據對ADCP 兩年實測資料的流速相關關系分析,建立流速關系模型,適線檢驗、符號檢驗和偏離數值檢驗均合格,側掃雷達流量測驗精度符合《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）的要求。

側掃雷達在線流量監測系統采用非接觸式雷達技術,能對河流表面流場、網格點流速進行全天候、連續監測；在高洪測驗時設備比其他測驗方法更不易受洪水損毀,是今后流量在線監測的一個較好的發展方向,值得推廣應用。