側(cè)掃雷達(dá)在線測流系統(tǒng)研究與應(yīng)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(dòng)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(nèi)容之一,涉及防洪安全、水文水利計(jì)算、水資源評價(jià)等各個(gè)方面,對掌握水情與水資源狀況,進(jìn)行防汛減災(zāi)、調(diào)配水資源的基礎(chǔ)建設(shè)具有十分重要意義。目前面對特大洪水的河道流量監(jiān)測手段很少,傳統(tǒng)的流量監(jiān)測手段都是基于接觸式測量,常用設(shè)備包括機(jī)械型轉(zhuǎn)子式流速儀、浮標(biāo)法、ADCP 等,并且該類測量設(shè)備必須浸于水體,人工參與度高,測量周期長,汛期危險(xiǎn)性高,因此常規(guī)測驗(yàn)手段無法完成應(yīng)急測量任務(wù)[1-3]。

側(cè)掃雷達(dá)在線測流系統(tǒng)是一種新型的河流流量監(jiān)測技術(shù),能實(shí)現(xiàn)大江大河的流量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。采用非接觸式雷達(dá)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對河流表面流速進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,并提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù),通過水位、過流面積、斷面表面流速比的數(shù)據(jù)交互,完成流量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合成,從而實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)自動(dòng)河流流量監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸。其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),受氣象條件影響很小,不僅適用于常規(guī)流量監(jiān)測,而且適用于惡劣天氣、應(yīng)急測量、高洪多漂浮物、漫灘、河面結(jié)冰（初期薄冰）等惡劣環(huán)境的流量監(jiān)測。

本文針對側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)測流過程中所要注意和處理的技術(shù)問題展開探討,并結(jié)合水利部水文司組織“新技術(shù)在水文測報(bào)中的研發(fā)推廣”之“基于側(cè)掃雷達(dá)的在線流量監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)示范”專題研究工作,在云南允景洪水文站安裝了側(cè)掃雷達(dá)在線測流系統(tǒng)。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(cè)掃雷達(dá)測流工作原理

側(cè)掃雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行測速,充分地利用了水流表面的Bragg 散射特性,當(dāng)側(cè)掃雷達(dá)測流儀發(fā)射的電磁波信號(hào)投射到水面時(shí),會(huì)與水面的波浪發(fā)生相互作用。當(dāng)波浪長度是電磁波波長的一半時(shí),會(huì)對電磁波信號(hào)產(chǎn)生最強(qiáng)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(gè)分單元流速[4],根據(jù)有效單元流速推出平均流速；結(jié)合同步監(jiān)測水位,根據(jù)河流斷面資料獲得實(shí)時(shí)過流面積,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量在線監(jiān)測。

雷達(dá)安裝在河岸上,天線主軸垂直于河流,可根據(jù)設(shè)定定時(shí)或?qū)崟r(shí)進(jìn)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(wǎng)格點(diǎn)流速流向,側(cè)掃雷達(dá)測量單元示意圖見圖1。

圖1 側(cè)掃雷達(dá)測量單元示意圖

側(cè)掃雷達(dá)測流儀測量斷面流速并將流速數(shù)據(jù)發(fā)送到云端的數(shù)據(jù)平臺(tái),數(shù)據(jù)平臺(tái)通過斷面資料、水位和流速數(shù)據(jù)合成流量數(shù)據(jù)。

從每個(gè)距離段的回波頻譜提取出水體的表面流速,依據(jù)頻譜的信噪比計(jì)算置信度,每個(gè)距離段的表面流速和置信度就是測流系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按距離排序,同時(shí)計(jì)算出平均表面流速v 表面和總置信度。

根據(jù)指標(biāo)流速法將平均表面流速與實(shí)測流速建立相關(guān)關(guān)系,進(jìn)而求出斷面流量。

式中：Q為過水?dāng)嗝媪髁浚籄為斷面面積；k為表面流速與實(shí)測流速的相關(guān)系數(shù)。

圖2 側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)組成

側(cè)掃雷達(dá)在線測流系統(tǒng)主要由1 組發(fā)射天線、3 組接收天線、1 個(gè)綜合機(jī)箱、4 根饋線電纜、1 個(gè)支撐架、1 根電源線及1 根數(shù)據(jù)接口線組成。綜合機(jī)箱中有1 個(gè)發(fā)射模塊、1個(gè)3 通道接收模塊、1 塊3 通道信號(hào)處理板、1 個(gè)電源、1 個(gè)接口板及信息處理軟件等組成。

圖3 側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)組成

3 數(shù)據(jù)比測分析

3.1 側(cè)掃雷達(dá)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(jìn)行往返2 個(gè)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(shù)據(jù)投影至側(cè)掃雷達(dá)測驗(yàn)斷面,分別計(jì)算側(cè)掃雷達(dá)獲取指標(biāo)流速各測點(diǎn)位置相對應(yīng)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(shí)水位538.29 m,屬于高水位級,比測結(jié)果見表1。從圖4 可以看出,高水位級時(shí)側(cè)掃雷達(dá)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(cè)掃雷達(dá)與M9 型走航式ADCP 表層流速平均值對比

圖4 高水位級側(cè)掃雷達(dá)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(shí)水位為536.69 m,屬于中水位級,比測結(jié)果見表2。側(cè)掃雷達(dá)水面測速單元26 個(gè),選取有效流速單元22 個(gè)（起點(diǎn)距71.1 m～281.1 m）。從圖5 可以看出,中水位級側(cè)掃雷達(dá)表面流速相較ADCP 表層流速分布右岸波動(dòng)幅度較大,中部一致,自中部向左岸側(cè)掃雷達(dá)表面流速較ADCP 表層流速偏大程度遞增。

表2 中水位級側(cè)掃雷達(dá)與M9 型走航式ADCP 表層流速平均值對比

圖5 中水位級側(cè)掃雷達(dá)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(shí)水位為534.98 m,屬于低水位級,比測結(jié)果見表3。側(cè)掃雷達(dá)水面測速單元26 個(gè),選取有效流速單元22 個(gè)（起點(diǎn)距71.1 m～281.1 m）。從圖6 可以看出,中低水位級側(cè)掃雷達(dá)表面流速相較ADCP 表層流速分布右岸波動(dòng)幅度較大,中部一致,自中部向左岸側(cè)掃雷達(dá)表面流速較ADCP 表層流速偏大程度遞增。

表3 低水位級側(cè)掃雷達(dá)與M9 型走航式ADCP 表層流速平均值對比

圖6 低水位級側(cè)掃雷達(dá)表面流速與走航式ADCP 二層流速比測分析圖

3.2 側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速關(guān)系率定

3.2.1 側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速計(jì)算

允景洪水文站雷達(dá)流速單元共有26 個(gè),從雷達(dá)起點(diǎn)距61.1 m～311.1 m,每10 m 為1 個(gè)單元,分析側(cè)掃雷達(dá)的指標(biāo)流速采用可信度大于80%的單元水面流速取算術(shù)平均計(jì)算。本次流速分析選擇雷達(dá)起點(diǎn)距71.1 m～281.1 m 共22 個(gè)在各水位級獲得可信度穩(wěn)定大于80%的單元流速進(jìn)行算術(shù)平均,作為側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速,見圖7。

圖7 允景洪水文站側(cè)掃雷達(dá)流速單元分布圖

3.2.2 側(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系率定

本次流速關(guān)系率定共選取走航式ADCP（M9）流量測驗(yàn)資料41 份。每份流量資料均采用兩個(gè)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(cè)掃雷達(dá)指標(biāo)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(jié)語

允景洪水文站側(cè)掃雷達(dá)流速單元共有26 個(gè),從雷達(dá)起點(diǎn)距61.1 m～311.1 m,每10 m 為1 個(gè)單元,分析側(cè)掃雷達(dá)的指標(biāo)流速采用置信度大于80%（起點(diǎn)距71.1 m～281.1 m）的22 個(gè)單元水面流速取算術(shù)平均計(jì)算作為側(cè)掃雷達(dá)各測次指標(biāo)流速,根據(jù)對ADCP 兩年實(shí)測資料的流速相關(guān)關(guān)系分析,建立流速關(guān)系模型,適線檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)均合格,側(cè)掃雷達(dá)流量測驗(yàn)精度符合《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）的要求。

側(cè)掃雷達(dá)在線流量監(jiān)測系統(tǒng)采用非接觸式雷達(dá)技術(shù),能對河流表面流場、網(wǎng)格點(diǎn)流速進(jìn)行全天候、連續(xù)監(jiān)測；在高洪測驗(yàn)時(shí)設(shè)備比其他測驗(yàn)方法更不易受洪水損毀,是今后流量在線監(jiān)測的一個(gè)較好的發(fā)展方向,值得推廣應(yīng)用。