雙系統(tǒng)組合雷達流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在臨沂水文站的應用

王 凱 陳奉麗 張 洪

（山東省臨沂市水文中心 臨沂 276001）

1 水文站概況

臨沂水文站為國家重要水文站，設立于1950年4月，系沂河干流控制站，流域面積10315km2，大中型水庫以下流域面積5194km2，河道干流長227.8km、平均坡度0.96‰，流域形狀呈扇形。2020年初，根據臨沂水文站的實際情況，淮委水文局聯(lián)合河南黃河水文科技有限公司，實施了YRCC.RG-1/2/3 型雷達網絡流量在線監(jiān)測系統(tǒng)，創(chuàng)造性地將雙系統(tǒng)組合雷達流量在線監(jiān)測系統(tǒng)模式應用于較寬河段斷面，實現(xiàn)了水位、流量數(shù)據在線監(jiān)測。

2 雙系統(tǒng)組合雷達流量在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)通過控制多個雷達傳感器同步采集水位、水流表面流速，經率定后建立斷面平均流速以及河道實時流量計算模型，實現(xiàn)流量在線監(jiān)測。適用于能夠建立表面流速與斷面平均流速相關關系的河道、渠道等明渠流量自動監(jiān)測。

2.2 數(shù)據采集傳輸

2.2.1 數(shù)據采集

（1）通過數(shù)據采集終端（RTU）采集流速、水位、風速風向、工況等數(shù)據。

（2）系統(tǒng)工作體制為平安報、自報（段制需要設定）、加報（需要設定增量）和查詢應答（召測）工作方式。

（3）RTU 支持遠程下載數(shù)據、遠程參數(shù)設置、遠程時鐘校準。

（4）RTU 每天0 時自動校時，系統(tǒng)時間統(tǒng)一以服務器時鐘為準。

2.2.2 數(shù)據傳輸

（1）本地數(shù)據傳輸。通過數(shù)傳電臺將數(shù)據傳輸?shù)奖镜厮恼?，測站（駐測站）管理人員能實時分析、處理數(shù)據和報汛。

（2）RTU 到數(shù)據中心主信道。GPRS 作為數(shù)據通訊的主信道，RTU 通過GPRS 把數(shù)據傳送至數(shù)據中心，數(shù)據中心負責存儲、處理和使用。

（3）備用信道。主要報汛數(shù)據需要配置備用信道。當GPRS 出現(xiàn)故障，無法傳輸數(shù)據時，自動啟用北斗衛(wèi)星數(shù)據終端（備用通道）將數(shù)據及時地傳輸?shù)綌?shù)據中心。

（4）局域網數(shù)據傳輸。具備內網網絡資源的，RTU 可以直接接到光纖網絡（局域網）傳輸至本地水文站和數(shù)據中心。

2.2.3 系統(tǒng)軟件

定制開發(fā)專用水位流量在線監(jiān)測應用軟件，實現(xiàn)接收、處理、查看以及控制、接收、存儲測站的水文數(shù)據、計算成果、繪制各類圖形、數(shù)據整理分析等。

3 系統(tǒng)在臨沂水文站的安裝設計

3.1 橋測雙系統(tǒng)組合雷達流量在線監(jiān)測系統(tǒng)設備安裝

臨沂水文站的測驗河段基本順直，斷面位于國道G327 線沂河大橋上游側，斷面寬（即主橋長）1442m，主槽相對固定，斷面沖淤變化不大。為更好解決斷面較寬和測驗精度問題，經綜合分析，確定采用YRCC.RG-1/2/3 型雷達網絡流量在線監(jiān)測系統(tǒng)中的“橋測雙雷達流量在線監(jiān)測系統(tǒng)”在線模式，將系統(tǒng)設備分為兩組安裝，兩組在斷面中間處有所交叉，采集數(shù)據由2 套數(shù)據采集終端來完成。這樣既可以有效減小線路傳輸距離，又可以在一組故障情況下另外一組仍可提供有效測流數(shù)據。

3.2 雷達測流傳感器布設

測流設備安裝在公路橋側面或下面，布置10條垂線，每條垂線對應安裝1 臺非接觸雷達測流傳感器，10 條垂線的起點距分別是：1#-285m、2#-435m、3#-585m、4#-705m、5#-795m、6#-885m、7#-975m、8#-1065m、9#-1215m、10#-1315m，雷達水位計安裝在6#垂線位置，此處水深最深，具體位置可在安裝時適當微調。

3.3 流量計算模型

雷達測流傳感器布設的位置和數(shù)量確定后，就可以由此建立相應的流量計算模型。本次系統(tǒng)構建中，流速采集（10 個傳感器）分配為交叉（交叉斷面775m 為洪水主流）獨立運行的兩個分系統(tǒng)，數(shù)據全部到達信息中心（或水文站）后，后臺構建流量模型計算實時流量。當斷面上下游河段水體表面出現(xiàn)暢流狀態(tài)流場分布特征，水面流速超過一定閾值（一般為0.3～0.5m/s），能夠啟用雷達流量在線監(jiān)測系統(tǒng)進行流量監(jiān)測。

3.3.1 模型Ⅰ

兩個分系統(tǒng)運行正常，全部10 條垂線雷達測流傳感器監(jiān)測數(shù)據參加流量計算，其表達式為：

式中：

Q1—全系統(tǒng)在線流量；

K1—全系統(tǒng)流量綜合系數(shù)（斷面實際流量與雷達波測流系統(tǒng)水面流速計算的虛流量比值）；

α左、α右—左、右岸岸邊流速系數(shù)；

Ai—第i 和i-1 條垂線間的面積，根據測時水位大斷面資料計算；

Vi—第i 條垂線的流速。3.3.2 模型Ⅱ

兩個分系統(tǒng)中系統(tǒng)1出現(xiàn)故障、系統(tǒng)2運行正常，采用系統(tǒng)2 的5 條垂線雷達波測流傳感器監(jiān)測數(shù)據參加流量計算，其表達式為：

式中：Q2—系統(tǒng)1 在線流量；

K2—系統(tǒng)1 流量綜合系數(shù)；

α左、α右—左、右岸岸邊流速系數(shù)；

Vi—第i 條垂線的流速。

3.3.3 模型Ⅲ

兩個分系統(tǒng)中，系統(tǒng)2 故障，系統(tǒng)1 運行正常，采用系統(tǒng)1 的5 條垂線雷達波測流傳感器監(jiān)測數(shù)據參加流量計算，其表達式為：

式中：Q3—系統(tǒng)2 在線流量；

K3—系統(tǒng)2 流量綜合系數(shù)；

α左、α右—左、右岸岸邊流速系數(shù)；

Vi—第i 條垂線的流速。

4 系統(tǒng)在臨沂水文站的應用效果

4.1 洪水測驗

臨沂水文站非接觸雷達在線測流系統(tǒng)于2020年7月上旬投入運行，經歷了8月份沂河大洪水的考驗。2020年“8·14”典型暴雨洪水過程，臨沂水文站采用傳統(tǒng)測流車流速儀和ADCP 橋測，人工實測流量19 次，于14日19 時07 分采用ADCP 法實測洪峰流量10900m3/s。橋測雙系統(tǒng)組合雷達流量在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據與人工實測數(shù)據高度擬合，高洪時系統(tǒng)運行穩(wěn)定，精度可靠，達到了提高流量監(jiān)測實效性的目的。數(shù)據對比見表1。

表1 臨沂水文站人工實測流量與實時在線流量對照表

4.2 比測分析

該系統(tǒng)經2020年和2021年歷次洪水測驗運行，大洪水時數(shù)據代表性較好，現(xiàn)選取2020年“8·14”典型暴雨洪水，對橋測雙系統(tǒng)組合雷達流量在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據和臨沂水文站流速儀橋測、走航式ADCP 橋測數(shù)據進行比測分析。

在圖1 水位流量過程線圖中，點據為人工實測流量數(shù)據，通過對1000 流量以上的人工與自動數(shù)據進行分析計算，兩者的相關系數(shù)為0.997。

圖1 水位流量過程線圖

圖2 為不同起點距位置的流速傳感器所測流速與走航ADCP 的所測相應位置的水面表面流速的對比，從圖中可以看出流速分布合理，符合天然河道河速分布特性，且雷達探頭與走航ADCP 兩者所測數(shù)據高度一致。

圖3 為人工與自動流量數(shù)據對比圖，點據的橫坐標為人工流量，縱坐標為相應時間段的自動流量。從圖3 中可以看出人工與自動流量數(shù)據密集在40°直線附近，說明在線流量與人工實測流量高度相關。

圖3 人工與自動流量數(shù)據對比圖

5 結語

雙系統(tǒng)組合雷達流量在線監(jiān)測系統(tǒng)模式應用于較寬河段斷面，實現(xiàn)了水位、流量數(shù)據在線監(jiān)測。該項技術是國內首次開發(fā)研制并投入應用，可以很好地解決典型河段斷面較寬、在線監(jiān)測等難題。臨沂水文站非接觸雷達在線測流系統(tǒng)于2020年7月上旬投入運行，經歷了8月份沂河大洪水的實際應用，較大洪水（臨沂流量在2000m3/s 以上）時系統(tǒng)運行穩(wěn)定，精度可靠，達到了提高流量監(jiān)測實效性的目的，為防汛預警預報提供了及時的數(shù)據支撐。

由于臨沂水文站測驗斷面較寬，中小洪水期間測站上下游水利工程運用對洪水特性影響較為明顯。在垂線水深較大，水面流速較?。ㄒ话阈∮?.3m/s時），流速傳感器適應性不夠準確，中小規(guī)模洪水在線流量的綜合流量系數(shù)K 值的穩(wěn)定性還需要進一步比測分析■