固定式雷达波在线流量监测系统在水文中的应用

刘运珊 简正美

(江西省赣州市水文局，江西 赣州 341000)

目前，水文流量监测普遍使用传统测速仪施测，在洪水期作业存在测量困难、单次测验耗时过长、人力投入较大、存在安全隐患、数据不能自动传输等问题[1]。传统的方法难以有效、有序开展监测工作，造成水文工作人员的工作效率降低，在监测洪水或者特大洪水时很难满足社会对水文的要求[2-4]。传统流速仪的在线测流系统和走航式ADCP测流系统也不能根本解决长期可靠运行、无人值守和工效等问题[5]。现有的雷达波在线流量系统有双轨式[6]、缆道式[7]，实现了自动单次测流功能，但均未实现全天候自动实时流量监测功能；侧扫式雷达波测流系统的研究[8]，虽然实现了每5min自动监测，但其安装位置受限，只适用于岸边安装，且目前只比测了中水位的流速及研究了中水位时的适用性。针对这些问题，赣州市水文局开发了固定式雷达波在线流量系统，本文通过分析该系统在水文流量测验中的应用，收集并比测高、中、低不同水位(流量)级的数据，探讨在人员无接触情况下实现对河道平时测验、高洪监测及危险水情等特殊环境下的流量全天候自动实时在线监测的可行性。

1 固定式雷达波在线流量系统介绍

固定式雷达波在线流量系统的设备配置包括数据采集端和服务端，见表1。蓄电池组和RTU(REMOTE TERMINAL UNIT)安装于野外机箱中，雷达波探头位于机箱下部。蓄电池组对野外数据采集端24小时持续供电。系统数据采集端以雷达波探头为水面流速测量仪器，雷达波水位计为水位测量仪器，每5min测量并接收1次水位及流速数据，并将数据由RTU自动向服务端实时发送。服务端配备于机房，在接收到数据后，根据站点借用断面资料，通过计算模型进行流量计算，原始测验数据和流量计算数据都存储于数据库中，再由PC端或手机端浏览器展示给用户，并提供数据下载、参数调整等功能。系统工作流程示意见图1。

表1 固定式雷达波在线流量系统设备配置

图1 固定式雷达波在线流量系统工作流程

1.1 数据采集端

数据采集端包括雷达波流速仪(以下简称HR-20A)、雷达波水位计(以下简称HR-30A)、RTU、太阳能电池板和免维护蓄电池组。本应用主要介绍HR-20A和RTU。

1.1.1 HR-20A

HR-20A根据多普勒雷达测速原理，对水流的表面流速进行测量，它是一种非接触式测流设备，测流不受河道漂浮物、滚石等影响，适合高洪测验[9-11]。借用岸边升杆、桥梁或其他合适的载体，将仪器安装在河道中泓位置，对水流施测表面流速。HR-20A适用于顺直、稳定、水流集中的测验河段。

1.1.2 RTU

RTU作为远程测控终端[12]，主要有3项控制功能：一是雷达波数据采集控制功能，控制HR-20A和HR-30A每5min采集1次数据；二是数据传输功能，RTU中集成的通信模块将测验数据通过GPRS实时自动发送到机房服务端；三是太阳能充电控制功能，保持电源系统提供24小时不间断供电并防止过充。

1.2 服务端

服务端设置在水文局机房内，包括服务器(硬件)和在线系统(软件)。服务器为在线系统工作提供良好的硬件运行环境。在线系统包括接收端软件、流量计算软件和WEB展示端。

1.2.1 接收端

由接收端软件实时接收各站点水位、流速数据。经过编码加密处理的各站原始信息由相应的解码模块进行解码还原，得到所需要的测验数据和其他信息，将解码后的数据存入数据库。

1.2.2 流量计算软件

由流量计算软件对数据库中的数据进行循环提取，每5min提取1次，频率与数据采集、发送频率相同。根据实测断面平均流速与雷达波流速关系率定断面平均流速，通过水位-面积关系计算过水面积，从而计算平均流量。

1.2.3 WEB展示端

基于B/S架构，从SQLSERVER数据库调取数据，在浏览器中提供多种形式的数据查询手段，包括过程线、数据表等。展示端可进行参数编辑，即可以对流速平滑参数、流量系数、大断面数据等进行修改，此功能主要用于人工校调仪器后，或断面等其他参数发生变化时的数据更正。展示端具有互动性和实时性的特点。

2 固定式雷达波在线流量系统的特点

2.1 安全、无接触、高效

系统实现人员无接触式自动测量，安装简便，降低人力成本，提高工作效率。解决常规水文测验方式在高洪时期流量自动监测问题，大幅缩短流量测验耗时，提高测汛报汛实效，保障测验人员安全。

2.2 24小时实时监测

通过设置，实现每5min发送水位、流速、流量等数据。采集样本多，为分析提供大量的数据支撑。实现了全天候自动在线监测，自动传输，在线查询。

2.3 抗干扰性强

测流系统不受漂浮物、水体气泡、泥沙、水质、河底杂物扰动等外界因素的干扰。

2.4 设备性能好，技术领先

测速范围在0.15～15.00m/s间，测速精度为 0.02m/s，测量方向为双向。采用集成雷达水位计，精度高(±1cm)、测量范围大(1.5～40.0m)、数据稳定。

3 应用情况

固定式雷达波在线流量系统通过监测水位和流速计算流量，流量的精度主要来自水位和流速的精度。应用雷达波测量河道水位已有较长的时间，技术成熟，测量精度能够满足《水位观测标准》(GBJ 50138—2010)的规定，不再作水位误差分析[13]，只对流量数据进行误差分析。

本研究使用赣州市水文局筠门岭站的实验数据进行论证。该站属于二类精度站，测验河段顺直、稳定、水流集中，符合HR-20A测验环境条件。

3.1 误差分析

根据流速仪实测流量的时间摘录雷达波测量的流量数据，绘制2种测验方法下该站水位-流量关系曲线，见图2，结果显示该站水位-流量关系无明显系统偏离。

图2 筠门岭站水位-流量关系

收集该站2019年低、中、高洪水共12次对比流量资料，计算相对误差、系统误差、标准差和总不确定度。

相对误差：

(1)

系统误差：

(2)

标准差：

(3)

不确定度：

(4)

式中：δQi为相对误差；Q0i为流速仪所测流量，m3/s；Qci为HR-20A所测流量,m3/s；Sc为标准差；Qc为HR-20A所测流量均值；Q0为流速仪所测流量均值；n为测次总数。

经计算，该站的系统误差为0.2%，总不确定度为10.8%。对照《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)均匀浮标法单次流量测验允许误差标准的规定，系统误差指标允许范围为-2%～1%，总不确定度误差指标为小于11%，该站系统误差及总不确定度误差均在规定范围内，HR-20A所测流量数据满足国家二类精度水文站浮标法单次流量测验允许误差的规定。

两种测流方式比测成果见表2，分析成果见表3。

表2 筠门岭站雷达波法与流速仪流量测验法比测成果

表3 筠门岭站雷达波法与流速仪法流量分析成果

3.2 相关分析

根据该站比测流量绘制回归直线图，当雷达波探头位于中泓位置时，相关线性良好，雷达波法流量与常规流速仪法测得流量接近，相关系数为0.9937，见图3。

图3 筠门岭站雷达波流量与流速仪流量关系

3.3 洪量分析

为进一步说明该系统能够很好地运用在水文流量测验中，对该站进行单次洪水总量分析，分别选取2019年6月10日与2019年6月24日两次较大洪水过程进行分析，两次洪量相对误差分别为-4.56%和1.54%，均小于6.00%的允许误差，分析成果见表4。

表4 筠门岭站单次洪水总量误差

4 影响流量准确性的因素及处理方法

固定式雷达波在线流量系统进行流量计算使用的是借用断面资料，断面的变化将直接影响流量测验结果。如站点受洪水冲刷或因其他原因导致断面不稳定，应及时在洪水后或其他影响因素发生后施测断面并更新系统断面数据，这将有助于流量监测精度的提高。

5 结 语

固定式雷达波在线流量系统适用于测验河段顺直、稳定、水流集中的站点。系统采用全自动无人值守方式，实现全天候每5min实时流量监测，具有非接触、自动化的特点。同时，该系统不受漂浮物、泥沙、水质等的条件影响，适用于平时测验、高洪监测及危险水情测量等特殊环境。将人力从烦琐的流量测验工作中解放出来，促进了水文监测技术的进步和水利信息化的发展，实现了水文测站“实时在线，自动监测”的功能。