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        雷達(dá)(RG—30)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

        2018-05-30 10:48:04朱治雄謝永勇高夏陽高宇星
        人民黃河 2018年1期
        關(guān)鍵詞:在線監(jiān)測雷達(dá)

        朱治雄 謝永勇 高夏陽 高宇星

        摘要:雷達(dá)(RG-30 )流量在線監(jiān)測系統(tǒng)通過信息采集、計算機處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù),將傳統(tǒng)的人工監(jiān)測水文要素轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉?、計算、存儲、傳輸?shù)纫惑w化的自動監(jiān)測過程。與流速儀法進(jìn)行的比測結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、適用范圍廣、自動化程度高等特點,符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定,可以推廣應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:在線監(jiān)測;流量監(jiān)測;雷達(dá);西總水文站;青銅峽水庫

        中圖分類號:TV213;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.003

        1 概述

        1.1 青銅峽西總水文站基本情況

        青銅峽西總水文站由黃委于1960年1月設(shè)立,目的在于觀測河西總干渠水沙量變化,為青銅峽水庫調(diào)度運用及下游農(nóng)田灌溉提供用水依據(jù),為下游提供水情和搜集基本水文資料。該站是河西總干渠的控制站,測流斷面上游825m處為青銅峽水庫。受上游電站1號、9號機組出水口影響,以及下游黃河1號退水閘、泰民渠閘門、西干渠閘門等建筑物的影響,測驗河段內(nèi)水流流態(tài)變化復(fù)雜,水位一流量、水位一流速關(guān)系測點分布較為散亂。長期以來,為切實掌握測驗河段的流量變化過程,青銅峽西總水文站進(jìn)行了頻繁測流,不過仍很難滿足切實掌握流量變化過程的要求,流量測驗強度大成為該站工作的特點。目前該站采用的常規(guī)流量測驗方法為測船流速儀法和鉛魚纜道流速儀法。

        隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,要求進(jìn)行水資源精細(xì)化管理,而現(xiàn)有的傳統(tǒng)水文測驗方式已很難滿足水文自動化、信息化等的要求。只有采用水文要素自動化監(jiān)測、信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)痊F(xiàn)代化手段,才能為水資源管理和社會經(jīng)濟的發(fā)展提供可靠保障。

        1.2 應(yīng)用研究的依據(jù)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        水位比測依據(jù)《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50138-2010)[1]的規(guī)定:比測時,可按水位變幅分幾個測段分別進(jìn)行,每段比測次數(shù)應(yīng)在30次以上。比測結(jié)果應(yīng)符合以下規(guī)定:①一般水位站,置信水平95%的綜合不確定度應(yīng)為3cm,系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1cm;②石英鐘走時誤差每日不應(yīng)超過±3min,

        流量比測依據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》(GB50179-2015)[2]的規(guī)定:比測宜在水流相對平穩(wěn)時進(jìn)行,并應(yīng)在高、中、低不同水位(或流量)級下均勻分布測次;比測有效次數(shù)不應(yīng)少于30次;比測隨機不確定度不應(yīng)超過6%,比測條件較差的不應(yīng)超過7%;系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過±1%,條件較差的不應(yīng)超過±2%。

        2 雷達(dá)(RG-30)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

        2.1 系統(tǒng)原理

        雷達(dá)(RG-30)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)以面積一流速法為基礎(chǔ),采用多個非接觸式雷達(dá)傳感器構(gòu)成流量在線監(jiān)測系統(tǒng),當(dāng)雷達(dá)波傳送到非均勻流表面時,非均勻流表面的反向散射會導(dǎo)致多普勒頻移的發(fā)生。雷達(dá)(RG-30 )流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的采集器控制多個雷達(dá)傳感器同步采集水流表面的多普勒頻移,從而根據(jù)該頻移計算出河流表面流速,實現(xiàn)一點和多點河流表面流速監(jiān)測,這些數(shù)據(jù)經(jīng)率定后就可用于推算河流斷面平均流速以及河道實時流量。

        2.2 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

        該系統(tǒng)由水位信息采集、流速信息采集、風(fēng)力風(fēng)向信息采集、流量計算、數(shù)據(jù)處理、信息存儲/傳輸以及基于數(shù)據(jù)庫的在線查詢顯示系統(tǒng)組成,可以完成信息采集、計算、存儲、傳輸、數(shù)據(jù)召測、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)結(jié)合計算機處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)茸詣踊侄?,將常?guī)的水文要素人工監(jiān)測方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉?、計算、存儲、顯示、傳輸應(yīng)用的數(shù)字化、自動化過程。

        系統(tǒng)主要包括雷達(dá)測速儀傳感器、雷達(dá)水位計傳感器、數(shù)據(jù)采集終端(RTU)、通信設(shè)備以及中心站管理軟件。按照位置區(qū)分,該系統(tǒng)包含以下工作站點:斷面測量點、青銅峽西總水文站接收控制點、鄭州數(shù)據(jù)監(jiān)控備份中心,見圖1。

        2.3 斷面流量計算方法

        雷達(dá)(RG-30)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測各代表垂線的區(qū)域水面流速,通過測得的實時水位推算各代表垂線間面積,進(jìn)而推求斷面流量,其計算公式為

        Q=K∑Anvn (1)式中:n為測速垂線數(shù);K為常數(shù);An為測速垂線間的面積,通過實時水位與大斷面數(shù)據(jù)推算;υn為測速垂線間的平均流速。

        3 應(yīng)用分析

        3.1 代表垂線分析及采集器安裝位置確定

        系統(tǒng)設(shè)備安裝在青銅峽西總水文站測流斷面,結(jié)合測流斷面地形、水流特性、水面流速分布、精度要求和設(shè)施條件等情況來確定代表垂線的位置。代表垂線的平均流速與斷面平均流速具有穩(wěn)定的關(guān)系。

        通過繪制青銅峽西總水文站大斷面圖,分析得出起點距25.0~65.0m為該測流斷面主河槽,河床由卵石組成且較為穩(wěn)定。選取低、中、高水位具有代表性的流量級,通過實測流量資料繪制垂線水深及流速的橫向分布圖(見圖2),選取在測流斷面中泓處且斷面起點距分別為35.0、45.0、60.0m的3條垂線進(jìn)行計算分析。

        為了確定選取的3條垂線的流速具有較好的代表性,選取小、中、大流量下的32組實測流量資料對3條垂線平均流速與斷面平均流速間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析,見圖3。

        通過分析3條垂線的流速平均值與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系,可得

        υc=0.9071×(υ35+υ45+υ60)/3-0.0279(R2=0.9946) (2)式中:υc為斷面平均流速,m/s;υ35、υ45、υ60分別為起點距35.0、45.0、60.0m處的垂線平均流速,m/s;R2為確定性系數(shù)。

        通過以上綜合分析確定:在對應(yīng)斷面起點距35.0、45.0、60.0 m處3條垂線的平均流速在各級流速下與斷面平均流速均有著穩(wěn)定的關(guān)系,具有良好的代表性,確定將雷達(dá)流速采集器分別安裝在這3個位置上,水位采集器安裝在基本水尺斷面上投入使用。

        3.2 比測數(shù)據(jù)成果

        應(yīng)用研究期間取得的98組水位數(shù)據(jù)以及2015年46組、2016年32組實測流量資料作為分析樣本。研究期間實測最高水位為1138.48m(2015年7月17日),最低水位為1 135.40m(2015年9月3日);實測最大流量為387m3/s(2015年6月10日),最小流量為1.76m3/s(2015年11月22日);最大測點流速為1.86m/s ( 2015年6月10日),最小測點流速為0.04m/s;最高氣溫為35.8℃(2015年7月28日),最低氣溫為-19.8℃(2016年1月23日);最大日降水量為107.9mm(2016年8月13日);最大風(fēng)力為9級,基本涵蓋了該站的各種測驗環(huán)境,資料具有較好的代表性。

        3.3 水位測驗誤差分析

        對人工直立式水尺與雷達(dá)水位計同步觀測的98組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析(見表1),可知置信水平為95%時的綜合不確定度為2cm,系統(tǒng)誤差為0.2cm。石英鐘每天早上8:00與北京標(biāo)準(zhǔn)時間校對,共30次無誤差。可以看出雷達(dá)水位計水位觀測精度均符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50138-2010)的規(guī)定。

        3.4 流量測驗誤差分析

        3.4.1 相關(guān)性分析

        采用2015年度雷達(dá)(RG-30)在線流量監(jiān)測系統(tǒng)與鉛魚測流纜道在不同水位、不同時段、不同氣象條件下同步測得的46組流量成果作為分析資料,建立Q0(纜道測流結(jié)果)-Q1(雷達(dá)測流結(jié)果)的相關(guān)關(guān)系。從圖4以及誤差計算結(jié)果可以看出,確定性系數(shù)僅為0.9074,相對誤差超過10%的測次有7個(見表2),需對偏大原因進(jìn)行分析。

        3.4.2 誤差原因分析

        從表2可以看出,比測試驗時7個測次的風(fēng)力都在4級以上,由于雷達(dá)測速儀測的是水面流速,當(dāng)風(fēng)力在4級以上時水面較為紊亂,因此測驗誤差大。依據(jù)《河流流量測驗規(guī)范)(GB50179-2015)中4.1.2條的規(guī)定,這些數(shù)據(jù)在分析時應(yīng)予舍去。

        在分析時發(fā)現(xiàn)45、46測次流速出現(xiàn)0值等不正常情況,從原始數(shù)據(jù)可以看出這兩個測次的流速小于0.5m/s,已超出儀器能夠采集的流速范圍,故分析時亦予舍去。

        3.4.3 成果分析

        根據(jù)上述誤差偏大原因分析,需舍去9個測次,采用2015年雷達(dá)(RG-30)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)與鉛魚纜道流速儀法在不同水位、不同時段、不同氣象等條件下同步測流的37組流量資料,重新建立Q0-Q1關(guān)系(見圖5),可得出二者的相關(guān)關(guān)系式為

        Q0=0.7889Q1+44.802(R2=0.961)(2)由式(2)可以看出,二者具有良好的相關(guān)性。

        3.4.4 成果檢驗

        將2016年不同流量級別、水流相對穩(wěn)定條件下的32組實測流量資料作為樣本,對式(2)進(jìn)行檢驗。結(jié)果表明:最大相對誤差為6.3%,最小相對誤差為-5.7%,隨機不確定度為5.8%,系統(tǒng)誤差為0.3%,均不超過《河流流量測驗規(guī)范)(GB50179-2015)中隨機不確定度不應(yīng)超過6%和系統(tǒng)誤差不應(yīng)超過±1%的規(guī)定。

        4 結(jié)語

        (1)雷達(dá)(RG-30)在線流量監(jiān)測系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性,設(shè)備性能可靠,安全系數(shù)高,維修簡單,具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

        (2)系統(tǒng)具有較強的快速測量、數(shù)據(jù)處理以及遠(yuǎn)程傳輸功能,在有網(wǎng)絡(luò)的地方,利用手機等設(shè)備可以實時查詢水位、流量,能夠及時、準(zhǔn)確、快速地掌握信息,可滿足水文測報方式自動化、信息化的要求,適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展對快速獲取水文信息的需求。

        (3)比測結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求,可以用來進(jìn)行青銅峽西總水文站的水位、流量測報,并可在有條件的站點推廣應(yīng)用。

        參考文獻(xiàn):

        [1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.水位觀測標(biāo)準(zhǔn):GB/T 50138-2010[S].北京:中國計劃出版社,2010;26.

        [2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.河流流量測驗規(guī)范:GB50179-2015[S].北京:中國計劃出版社,2015:14.

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