双系统组合式雷达波在线测流系统研究与应用

丁韶辉 张 白 彭 豪

（水利部淮河水利委员会 蚌埠 233001）

1 引言

河道流量测验是水文工作的重要组成部分，流量数据对水资源管理、水生态保护以及防汛抗洪工作的开展具有重要作用。目前，国内外流量在线监测的方法和手段主要有水力学公式法、时差法、V-ADCP、H-ADCP、雷达波、侧扫式雷达等。由于河道来水和断面特征的复杂性，各种技术都有其局限性与应用范围。其中，非接触雷达在线测流系统是一种采用雷达多普勒原理来测量表面流速，进而推算出流量的测验方式。由于设备与水体不接触，此类设备具备安全低损、运行稳定、不受泥沙影响、安装维护相对简单等特点。

2 建设背景

临沂水文站是沂河干流控制站，为国家重要水文站，设立于1950年3月，该站以上河道干流长227.8km，平均坡度0.96‰，集水面积10315km2。该站断面宽约1500m，如此长的断面宽度给流量监测带来了巨大挑战，洪水期间，一次测流往往超过1h。

2019年台风“利奇马”给山东省经济建设造成了很大的影响和损失。同时，也暴露出该站的流量监测存在时效性差的短板。数据获取不够及时、数据密度不足，监测技术与能力跟不上防汛等社会服务的紧迫需求。建设流量在线监测系统，提高该站监测时效性，加密监测数据，迫在眉睫。

淮河水利委员会水文局（信息中心）经过充分调研，根据临沂水文站的实际情况，组织建设基于雷达波技术的流量在线监测系统，针对较宽的河道断面，创造性地设计并实施了双系统组合雷达波在线测流系统模式，实现了水位、流量数据实时在线监测。该项技术是国内首次开发研制并投入应用，很好的解决了典型河段断面较宽、在线监测等难题。

3 建设情况

3.1 总体结构

雷达波在线测流系统由多个雷达测速仪传感器、雷达水位计传感器、数据采集终端（RTU）、防雷单元（电源防雷器和信号防雷器）、电源单元（太阳能电池板、蓄电池、充电控制器和直流开关）、通信单元（支持2G、3G、4G）等组成。

雷达流速仪测速的原理是多普勒效应，测速时仪器固定在岸上或桥上，工作时雷达波流速仪发射的微波射到水体的水面上，一部分微波被水面反射回来，产生多普勒频移信息，根据反射信号和发射信号的频率差，推算出水面流速。项目组对多个国内外厂家雷达测流产品进行比选，最终选定了奥地利SOMMER 公司的RG-30 作为雷达波在线测流系统的核心传感器。

该系统通过数据采集终端（RTU）采集流速、水位、工况等数据。RTU 支持远程下载数据、远程参数设置、远程时钟校准，拥有平安报、自报（段制需要设定）、加报（需要设定增量）和查询应答（召测）多种工作方式。RTU 通过GPRS 将数据上传至数据中心，数据中心负责存储、处理和使用。

系统采用太阳能供电方式，电源电压12VDC，供电系统由80W 太阳能板、太阳能充电控制器、胶体电池（12V100Ah）等组成，可保证30 天连续阴天的情况下系统的正常运行。

定制开发了专用应用软件，实现接收、处理、数据存储入库等后台功能，系统具有丰富的远程参数修改功能，支持TCP 与串口同时数据通信，支持标准水文通讯规约通讯协议；为方便用户，系统提供数据查询、绘制各类图形、数据整理分析、特征值统计查询等功能；为提供系统适应性，软件系统还提供实测大断面数据和流量模型计算的参数修改，提供人工数入补发数据功能。

3.2 技术实现

雷达波在线测流系统是典型的信息化集成项目，不是设备购买后的简单安装，必需充分考虑测流断面的特性，合理进行设备组合设计，才能充分发挥出设备的应有功能，系统的精度与可靠性才能得到保证。该系统的集成涉及雷达探头的位置选择、信息组网与流量模型的建立、断面设备的安装等方面。每个环节都需要充分论证，精准实施。系统的建设需要基于历史数据与资料，分析断面形态和流速分布横向变化情况，科学合理地确定探头布设的位置和数量，建立可行的流量计算模型，还需要因地制宜，选用适宜的安装方式。

3.2.1 雷达探头布设

临沂水文站的测验河段基本顺直，断面位于国道G327 线沂河大桥上游侧，断面宽约1500m，主槽相对固定，断面冲淤变化不大。测流设备安装在公路桥侧面，为尽量避开桥墩澭水的影响，测流垂线选择在两桥墩中间部位。根据近年几次典型洪水的流速、水深、水位等实测资料的套绘分析，充分考虑断面环境条件、断面形态、断面宽度和流速分布及其变化情况，兼顾考虑经济技术的合理性，确定布设10 条垂线，每条垂线对应安装1 台非接触雷达测流仪，10 条垂线的起点距分别是：1#-285m、2#-435m、3#-585m、4#-705m、5#-795m、6#-885m、7#-975m、8#-1065m、9#-1215m、10#-1315m，雷达水位计安装在6#垂线位置，此处水深最深，具体位置可在安装时适当微调。

3.2.2 流量计算模型

探头布设的位置和数量确定后，需要建立相应的流量计算模型。本次系统有断面较宽，缆线长，探头数量多的特点，为提高系统的稳定性和响应速度，该系统创造性的将10 个传感器采用交叉分配的方式，构建成独立运行的两个分系统，10 个传感器既可以协同工作，也可以分组运行，系统分三个模型状态。此组合方式为国内首次采用，有效地提高了系统的稳定性与处理速度。

模型Ⅰ：水位达到断面为畅流水体，两个分系统运行正常，流量采用水位控制断面面积，全部10条垂线流速参加流量模型拟建，利用建立的全系统流量模型计算流量，其表达式为：

模型Ⅱ：水位达到断面为畅流水体，两个分系统中1#系统故障，2#系统运行正常，流量计算采用水位控制断面面积，2#系统的5 条垂线流速参加流量模型拟建2#系统流量模型，利用建立的2#系统流量模型计算流量，其表达式为：

模型Ⅲ：水位达到断面为畅流水体，两个分系统中2#系统故障，1#系统运行正常，流量计算采用水位控制断面面积，1#系统的5 条垂线流速参加流量模型拟建1#系统流量模型，利用建立的1#系统流量模型计算流量，其表达式为：

式中：Q1—全系统流量；

Q2—1#系统流量；

Q3—2#系统流量；

K1、K2、K3—虚实流量对比综合系数；

α左、α右—左右岸系数；

Ai—对应垂线间的面积；

Vi—第i 条垂线的流速。

3.2.3 断面设备安装

由于设备分布间隔较远，信号及电源衰减较强，建设中将系统设备分为两组安装，每组配置1 个数据采集终端（RTU）和5 个雷达测速仪传感器，传感器采用成交叉组队的方式，1、3、4、6、8 一组，余下探头为一组，这样可有效的减小线路传输距离，又可以在一组故障的情况下，仍可提供有效的测流数据。

非接触雷达测流仪安装在公路桥T 型梁下端凸起部分的边缘上，安装架为用100×50×5 的槽钢定制的倒C 型卡箍，φ50 的直立悬臂和卡箍焊接为一体，RG30 非接触雷达测流仪安装在悬臂的下端。整个安装架已在前期预制，施工时只需拧紧4 支夹紧螺栓即可。

4 应用效果

临沂水文站非接触雷达在线测流系统于2020年7月上旬投入运行，经历了2020年8月沂河大洪水的考验，系统运行稳定，精度可靠，达到了提高流量监测实效性的目的，为防汛预警预报提供了及时的数据支撑。2020年临沂站实测洪峰流量10900m3/s，系统监测流量10800m3/s 左右，洪峰流量值十分接近。该系统不间断每5min 上报一个流量数据，较之人工流量约1h 才能监测到一个数据，时效性大为提高，为沂河沭河洪水的精准调度提供了可靠数据支撑。

在水位流量过程线图（图1、图2）中，点为人工实测流量数据，点与流量过程线高度拟合。通过对1000 流量以上的人工与自动数据进行分析计算，两者的相关系统在0.997。

图1 水位流量过程线1 图

图2 水位流量过程线2 图

流速分布对比图为雷达监测探头所测流速与走航ADCP 的所测相应位置的水面表面流速的对比，在图3中可以看出流速分布合理，符合天然河道河速分布特性，且雷达探头与走航ADCP 两者所测数据高度一致。

图3 流速分布对比图

人工与自动流量数据对比图中，蓝色点子的横坐标为人工流量，纵坐标为相应时间段的自动流量，红线为45°线，点越靠近红线则数据精度越准。在图4 可以看出人工与自动流量数据相当接近。

图4 人工与自动流量数据对比图

5 结语

临沂雷达波在线测流系统是国内首次研制并投入应用的双系统组合雷达波在线测流系统，很好的解决了河道断面宽、探头多、高洪不易施测等流量监测难题，实现了流量高密度在线监测。系统在临沂站安装运行以来，性能可靠，运行稳定，精度理想，应用效果良好，极大提高了临沂站流量监测的自动化水平，为洪水预报调度提供了强力数据支撑，达到了国内外先进水平。经统计，该系统在2020年、2021年两年提供有效流量数据6000 多组，在防御2020年、2021年沂河大洪水中发挥了重要作用，为防汛预警预报，特别是避免邳苍分洪道启用上提供了及时有力的数据支撑，防洪效益及社会经济效益显著。按照一次测流综合成本500 元计算，节约资金达300 万元以上。

目前，随着社会经济发展对流量监测的要求越来越高，以人工监测为主的流量测验方式已经不能很好满足行业发展的需要，开展流量监测新技术的研究与应用，提高水文监测自动化水平，势在必行。虽然流量自动监测技术还无法完全替代人工测流，但它在提高人工测流时机的掌控，减少人工测流频次，加密流量监测数据，提高劳动效率，降低劳动强度等方面可以发挥重要作用。

雷达波在线测流系统适用于我国大江大河、中小河流、灌区渠道的流速、流量数据的实时在线监测，特别是中高水情况下得到较好的应用。该系统的建设和推广应用，将大大改善现有水文站的传统监测条件，降低一线水文测站工作人员的工作强度，减小水文职工在大洪水时测验的危险系数，提高工作效率，进而实现“有人看管，无人值守”的目标，为实现水文信息化和现代化提供技术支持。该方法相对接触式流量监测系统还具有设备不易受损，维护工作量小的特点，能够为当前时期防汛抗旱、水资源管理服务提供一种可行的自动流量监测方案，具有良好的应用推广价值■