非接触式雷达波测流与传统测流比较分析

解传奇 张艺 荀武

文章编号：1006-0081（2019）09-0026-03

摘要：崇阳（二）水文站位于湖北省崇阳县天城镇，为控制陆水水库上游水情的二类精度基本水文站，平常多用缆道转子式流速仪法测流。在高水测验过程中，流速仪常被水中漂浮物缠绕，导致施测中断，影响测流时效与精度。根据非接触式雷达波流速仪与缆道转子式流速仪测流的实测资料比较分析，探究非接触雷达波测流系统在崇阳（二）水文站的适用性。分析结果表明：非接触式雷达波流速仪与缆道转子式流速仪的比测效果较好，基本能够满足相关规范的精度要求;该系统安全系数高、安装方便、运行稳定，可广泛用于抢测洪峰测验工作中。

关键词：测流;非接触式;雷达波流速仪;缆道转子式流速仪;陆水

中图法分类号：P333

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.006

1研究背景

崇阳（二）水文站位于陆水水利枢纽上游约34km处，是陆水水库入库控制站，上游700m处有一座4级电站。该水文站所控制的测流断面属于山溪性河流，水流具有暴涨暴落特性，同时受上游电站闸门启闭和陆水水库顶托影响，水流流态变化复杂，水位一流量、流速关系测点分布散乱。长期以来，为掌握断面流量变化过程，测流频繁（年测流100次左右），但仍难以得出其流量变化规律，该站测流工作存在强度大、危险系数高等难点。目前，崇阳（二）水文站采用LS25-3A型流速仪进行施测，施测垂线5-8条，平均测验时间约为1h，测验精度和时效性都受到测验手段的影响。

21世纪初，各类新技术和测验设备开始被广泛用于水文测验实践中，崇阳（二）水文站也根据河道断面特性和特点选用适用的设备开展流量施测。

2非接触式雷达波测流系统

2.1雷达波测流系统组成与特点

在暴涨暴落且漂浮物较多的河段，传统的流量测验方式是以浮标法为主，但是浮标测流存在工作效率低、精度差等缺陷，加上对洪水监测信息时效性要求越来越高，选用一种非接触测流系统进行断面实时在线临测对于该站高洪期的流最监测意义重大[1-2]。

根据测流断面宽度以及常规法施测中各垂线布置情况，将一个或多个电波流速仪布设在不同断面垂线上，配置由数据采集控制终端（RTU）、水位传感器、通信设备、电源等组成的非接触在线测流系统。电波流速仪是利用多普勒效应原理测量水面测点流速。通过从同定角度和方向向水面发射微波、接收回波来测量水面点流速，再通过模型算法来推算断面流量。测量时流速仪安装在桥梁或缆道上，不接触水体，具有不扰动流场、测验历时短、测验频次高、抗泥沙影响等特点，特别适用于高洪测流。此外，该系统安装结构简单，维护方便，运行可靠、稳定。

2.2在线测流系统软件功能与应用

2.2.1系统软件功能

非接触雷达波测流软件具备以下基本功能：

（1）实时显示水位、流速、流量数据及过程线。

（2）计算、显示、输出日、旬、月、年水量报表及过程线，能在同一个界面显示全年水量过程线。

（3）实时召测当前流速、水位;设置测流断面和测流垂线、岸边系数等预置参数。

（4）设置流速测量历时、水位测量历时等采集参数，能实现数据查询、汇总、打印等。

2.2.2测流软件操作

（1）软件安装后，首先进行系统参数配置，主要参数包括水文站基本信息、左右岸边系数、默认大断面等。

（2）导人大断面数据，并勾选常用测速垂线。

（3）确定电台连接无误后，即可点击开始进行测量。测量完毕将输出流量成果表。关闭软件后，前端设备自动进入低功耗状态，无须其他操作。

3对比分析

3.1试验方法

采用该站已投入正常运行的缆道测流与非接触流量测验系统同步进行流量测验比对。非接触流量测验系统安装运行后，采集各级水位的流量数据。其中，非接触流量测验系统根据设定的历时时间，采集垂线表面流速并处理后，再进行加权计算得出该垂线平均表面流速。断面垂线流速采集完毕，根据起始水位、结束水位以及大断面数据计算断面面积，从而得出断面虚流量（不准确的真实流量），虚流量乘以系数即得出实际断面流量。

3.2成果分析

3.2.1原始数据

此次比测试验，采取非接触流量测验系统与缆道测流在不同水位、不同时段同步测流流量测验成果作为试验分析资料。

3.2.2数据分析方法

由于非接触测流时段与流速仪测流时段并非严格重合，拟采用两种数据分析方法：①对于时段基本重合部分采用实测数据对比分析;②对非接触测流时间流速仪的测流成果进行定线，根据非接触测流时间、水位查线得到真实流量，并与非接触测流所得的虚流量进行对比分析。

3.2.3实测数据对比分析

依照非接触测流成果表时间，从流速仪测流记录中抽取相应时段数据，根据实测流量Q1与非接触测流表中虚流量Q2得出系数KO=Q1/Q2，进行平均后得出平均系数K1，根据Q2及K1计算得出非接触测流流量Q3=K1/Q2，根据Q3及流速仪流量Q1计算误差。

有效非接触测流成果共37份，相对应流速仪测流有效27份，经同归计算得出流速系数为0.7913，R2=0.9737，虚流量乘以该系数后与流速仪实测流量比较，相对误差在10%以内的共24份，占有效测流的比例为88.89%，标准差为6.97%（见表1）。

3.2.4查线数据对比分析

依非接触测流成果表时间，根据水位记录表以及流速仪测流记录进行人工定线，之后根据非接触测流时间及水位确定相应时问真实流量Q1。根据流量Q1与非接触测流表中虚流量Q2得出系数Ko=Q1/Q2，进行平均后出平均系数K1，根据Q2及K1计算得出非接触测流流量Q3=K1/Q2，再计算与流速仪所得流量Q1的误差。

非接触测流成果共37份，经回归计算，流速系数0.7913，R2=0.9858，虚流量乘以该系数后与流速仪实测流量比较，相对误差在10%以内的共35份，占有效测流37份的比例为94.59%，标准差为5.84%;相对误差在8%以内的共35份，占有效测流29份的比例为78.38%;相对误差在5%以内的共20份，占有效测流37份的比例为54.05%（见表2）。

同归分析计算结果表明，采用雷达测流系统进行测验的流量数据与实测数据相差不大，但是也存在个别数据误差较大，造成误差的原因是多方面的：①较大流速条件下，当非接触测流系统与铅鱼同步测量时，由于偏角过大，易发生非接触流速传感器采集缓慢现象，缆道主索隨铅鱼移动产生的跳动也会影响雷达波流速仪施测;②下游陆水水库水位较高时，会对断面产生严重顶托影响，同样导致流速的横向分布异常，流速系数偏小;后期可通过试验补充数据，率定出不同水位级流速系数，以便进一步提高测流精度。

目前所采用的非接触式雷达波测速仪安装在缆道行车上，测流过程中不接触水面，通过发射雷达波并接受雷达波方式测量流速，随后进行软件处理得出流量。该仪器与传统的转子式流速仪测流相比，施测时间大大缩短，在高洪情况下，由于不接触水面，可避开漂浮物对测流过程的影响;数据分析表明，与流速仪比测结果相比，误差不大。

4结语

本文的初步研究及数据分析结果表明，非接触式雷达波流速仪与缆道转子式流速仪的比测效果较好，基本能够满足相关规范的精度要求，且监测系统室外设备运行为非接触式，安全系数高、安装方便、运行稳定，可大大减轻工作人员劳动强度，建议推广用于抢测洪峰测验工作中，并在一定程度上替代浮标、漂浮物等传统测验手段。

参考文献：

[1]河海大学，水文测验学[M].郑州：黄河出版社，2003.

[2]李腾，全小龙，黄童，船载三维激光扫描系统在三峡库区库岸地形测量中的应用[J].水利水电快报，2018，39（10）：29-32.

（编辑：李慧）

收稿日期：2019-01-10

作者简介：解传奇，男，助理工程师，主要从事水文测验工作。E-mail： 410789452@qq.com