蔣偉文,毛天智,巫娟娟
(賀州水文中心站,廣西 賀州 542899)
HS-L981D 雙軌全自動(dòng)雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)采用Sommer 的RG-30 雷達(dá)傳感器,主要采用微波對(duì)河流、泥漿、污水等表面流速進(jìn)行測(cè)量,可應(yīng)用于水文監(jiān)測(cè)、防洪防澇、環(huán)保排污監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。非接觸式表面流速測(cè)量操作簡(jiǎn)單,儀器體積小、重量輕、功耗低,安裝方便,不受污水腐蝕,不受泥沙影響,保障人員安全。不僅可以用于平時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè),而且特別適合承擔(dān)急難險(xiǎn)重的觀測(cè)任務(wù)。雙軌式雷達(dá)自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)由雷達(dá)波流速儀、雷達(dá)運(yùn)行車、測(cè)流控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、自動(dòng)在線充電系統(tǒng)、無(wú)線電臺(tái)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、配套支架和中心站管理軟件等組成。設(shè)備利用兩根不銹鋼鋼絲繩做導(dǎo)軌,雷達(dá)波測(cè)速儀、傳動(dòng)電機(jī)、雷達(dá)測(cè)速控制器、鋰電池和無(wú)線電臺(tái)設(shè)備安裝在雷達(dá)運(yùn)行車內(nèi)。雷達(dá)運(yùn)行車懸掛在導(dǎo)軌鋼絲繩上,安裝在室內(nèi)的系統(tǒng)控制器通過(guò)無(wú)線電臺(tái)發(fā)送測(cè)流指令,控制雷達(dá)運(yùn)行車運(yùn)行到測(cè)流斷面設(shè)定垂線上方,進(jìn)行水面流速的自動(dòng)測(cè)驗(yàn),測(cè)流結(jié)束后,雷達(dá)運(yùn)行車自動(dòng)開回室內(nèi)。同時(shí),流量測(cè)次成果自動(dòng)生成規(guī)范的流量成果表通過(guò)GPRS通訊模塊發(fā)送至市局服務(wù)器。
HS-L981D雙軌全自動(dòng)雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)利用兩根直徑大于5 mm的304不銹鋼鋼絲繩做導(dǎo)軌,雷達(dá)運(yùn)行車采用四驅(qū)動(dòng)力,裝載有雷達(dá)波測(cè)速探頭、直流步進(jìn)電機(jī)、雷達(dá)車運(yùn)行控制器、鋰電池、Zigbee模塊等。
當(dāng)RTU獲得測(cè)試指令(定時(shí)測(cè)試指令或者手動(dòng)加測(cè)指令),并根據(jù)當(dāng)前的水位信息判斷測(cè)試模式(高、中、低水位),通過(guò)Zigbee模塊下發(fā)給雷達(dá)運(yùn)行車,雷達(dá)運(yùn)行車通過(guò)Zigbee模塊收到相應(yīng)的測(cè)試指令后控制電機(jī)運(yùn)行,將雷達(dá)運(yùn)行車運(yùn)行到測(cè)流斷面指定位置,啟動(dòng)雷達(dá)測(cè)速儀進(jìn)行測(cè)量,并將位置信息反饋給RTU,當(dāng)前垂線測(cè)試完成之后,雷達(dá)運(yùn)行車將測(cè)試結(jié)果反饋給RTU,然后運(yùn)行到下一條垂線。當(dāng)所有垂線測(cè)試完畢之后,RTU會(huì)根據(jù)流速及斷面參數(shù)計(jì)算出流量,通過(guò)GPRS 模塊上傳給服務(wù)端。當(dāng)完成測(cè)流后,雷達(dá)運(yùn)行車自動(dòng)返回室內(nèi),并對(duì)準(zhǔn)充電樁進(jìn)行充電。
圖1 HS-L981D雙軌全自動(dòng)雷達(dá)波安裝示意圖
HS-L981D 雙軌全自動(dòng)雷達(dá)波在線測(cè)流系統(tǒng)由RTU、GPRS 模塊,充電模塊,太陽(yáng)能控制器、太陽(yáng)能板、鉛酸蓄電池、充電樁、雷達(dá)測(cè)流小車等組成。
金腰口水文站設(shè)于2014年4月,位于賀州市八步區(qū)黃洞鄉(xiāng)黃洞村,系大寧河支流都江河控制站,屬區(qū)域代表站,集水面積164 km2。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有:降雨、水位、流量。
金腰口水文站監(jiān)測(cè)斷面寬約50 m,河段順直長(zhǎng)約300 m,河槽形態(tài)呈“U”形。斷面上游100 m處有水晶塘1級(jí)電站發(fā)電出水口,中低水影響流量測(cè)驗(yàn)。上游500 m 處有水晶塘1 級(jí)電站大壩,下游3 000 m 處是水晶塘2 級(jí)電站大壩,對(duì)測(cè)驗(yàn)斷面中高水起著控制作用。多年流量資料顯示,水位流量關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定。
金腰口水文站自2014年建站至今,測(cè)驗(yàn)斷面位置未發(fā)生變動(dòng),河床有卵石組成,無(wú)淤積現(xiàn)象,點(diǎn)繪近幾年大斷面圖見圖2。
圖2 金腰口站斷面情況
分析金腰口站2017年以來(lái)的各年水位流量關(guān)系如圖3 所示,水位和流量中低水跟水電站發(fā)電出水口出水量相差不大,可以建立較穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線。
(1)比測(cè)儀器。利用走航式ADCP 和雙軌式雷達(dá)自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行比測(cè)。
(2)比測(cè)方法。采用走航式ADCP 和雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)同步施測(cè),雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)借用基本斷面水深計(jì)算虛流量。
(3)比測(cè)次數(shù)。HS-L981D 雙軌式雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)自2017年7月安裝以來(lái),經(jīng)過(guò)數(shù)次調(diào)試參數(shù)設(shè)置,如雷達(dá)測(cè)驗(yàn)角度、測(cè)流垂線、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制參數(shù)等,所以2017-2018年的流量資料不做比測(cè)分析,本次分析采用2019年的比測(cè)成果進(jìn)行分析。因受比測(cè)站點(diǎn)條件限制,如纜道用電不正常、高水水面浪涌太大導(dǎo)致走航式ADCP 測(cè)流信號(hào)丟失嚴(yán)重、雙軌雷達(dá)電池供電不足等原因影響,比測(cè)工作開展不是很順利,比測(cè)分析數(shù)據(jù)系列有所不足。為此,我們將比測(cè)資料分兩個(gè)階段進(jìn)行分析,即雷達(dá)波與走航式ADCP比測(cè)數(shù)據(jù)分析和雷達(dá)波2019年每日8時(shí)自動(dòng)測(cè)流水位流量數(shù)據(jù)分析。上述劃分含高、中、低水測(cè)次,施測(cè)次數(shù)和水位變幅均基本滿足開展相關(guān)分析需求。
圖3 金腰口站雙軌雷達(dá)斷面虛流量與走航式ADCP斷面流量關(guān)系圖
2019年雙軌雷達(dá)測(cè)速儀與走航式ADCP 流量比測(cè)成果見表1。
表1 雙軌雷達(dá)測(cè)速儀與走航式ADCP流量比測(cè)成果表
通過(guò)對(duì)雷達(dá)測(cè)速儀實(shí)測(cè)流量與ADCP實(shí)測(cè)流量進(jìn)行分析,我們采用0.9 的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)乘以雷達(dá)測(cè)速儀實(shí)測(cè)流量計(jì)算出斷面虛流量,并以雷達(dá)斷面虛流量為縱坐標(biāo)、走航式ADCP流量為橫坐標(biāo),點(diǎn)繪同步比測(cè)流量的相關(guān)關(guān)系圖(見圖3),進(jìn)行對(duì)比分析,求出關(guān)系式,繪制線型關(guān)系線,其公式為:y=0.9 554x+2.1 117,R2=0.9 916,相關(guān)關(guān)系接近于1,可見我們采用0.9的系數(shù)是合理的。
為分析雷達(dá)測(cè)速儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,我們繪制了2019年每日8 時(shí)雙軌雷達(dá)自動(dòng)測(cè)流斷面水位與虛流量關(guān)系圖(見圖4),從圖4中可以看出,水位與虛流量關(guān)系點(diǎn)群呈帶狀分布,具有較好的相關(guān)關(guān)系。
然后把雷達(dá)波同步所測(cè)斷面流量加入歷年走航式ADCP流量進(jìn)行定線,見圖5。
水位流量關(guān)系曲線通過(guò)符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn),見表2。
圖4 2019年每日8時(shí)雙軌雷達(dá)自動(dòng)測(cè)流斷面水位與虛流量關(guān)系圖
圖5 歷年流量測(cè)點(diǎn)及雷達(dá)測(cè)點(diǎn)水位流量關(guān)系曲線圖
表2 都江河金腰口站水位~流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表
(1)金腰口站雙軌式雷達(dá)波法虛流量與走航式ADCP 法斷面流量呈良好的線性關(guān)系。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL247-2012)3.3.2條采用雷達(dá)波法測(cè)流的二類精度水文站隨機(jī)不確定度為12%,系統(tǒng)誤差為±1%的要求,雷達(dá)波法水位流量關(guān)系定為單一曲線,滿足規(guī)范要求。
(2)雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)和走航式ADCP 兩種方法的流量相關(guān)關(guān)系式為y=0.9 554x+2.1 117,相關(guān)系數(shù)R=0.9 916。相關(guān)關(guān)系密切,該站雙軌式雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)可以投入常規(guī)應(yīng)用,特別是在應(yīng)急大洪水時(shí)人員無(wú)法達(dá)到情況下的自動(dòng)監(jiān)測(cè),具有安全可靠,省時(shí)省力,適合在全區(qū)測(cè)驗(yàn)斷面穩(wěn)定的測(cè)站推廣使用。
(3)建議增加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)水位功能,以改進(jìn)流量實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)精度,更好適應(yīng)在高水位條件下水面波浪大的工作環(huán)境。