曾 爽,羅詠濤
(四川省雅安水文水資源勘測(cè)局,四川 雅安,625000)
水文站在遇到高洪時(shí),漲率較快,漂浮物多,風(fēng)浪大。鉛魚、電波流速儀需要纜道、ADCP需要測(cè)量船、雷達(dá)槍需要有橋梁支撐,諸如此類應(yīng)用,都存在各種不便,隨著無人機(jī)技術(shù)的日益成熟,逐漸形成了無人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用的模式。近幾年水災(zāi)害頻繁出現(xiàn),以及應(yīng)急監(jiān)測(cè)的迫切需要,無人機(jī)+水利應(yīng)用開始出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用。無人機(jī)測(cè)流是水文測(cè)驗(yàn)與無人機(jī)的完美結(jié)合,是專為水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)和水文調(diào)查量身打造的水文測(cè)驗(yàn)方案。針對(duì)洪水時(shí)期常規(guī)應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法難以執(zhí)行的情況,利用無人機(jī)起飛便捷、不受地形影響的優(yōu)勢(shì),加上高精度水文河道監(jiān)測(cè)設(shè)備,完美地解決了洪水期間應(yīng)急監(jiān)測(cè)困難的問題。
由無人機(jī)搭載多普勒原理的測(cè)速儀器,應(yīng)用多普勒效應(yīng)(即移動(dòng)物體對(duì)所接收到電磁波有頻移動(dòng)效應(yīng)),根據(jù)接收到的反射波頻移量計(jì)算得出被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度。配合專用無人機(jī)測(cè)流軟件,可以實(shí)現(xiàn)在固定垂線,固定高度對(duì)水面進(jìn)行測(cè)速,測(cè)速時(shí),電波流速儀發(fā)射的微波斜向射到需要測(cè)速的水面上。由于有一定斜度,所以除部分微波能量被水吸收外,一部分會(huì)折射或散射損失掉。但總有一小部分微波被水面波浪的迎波面反射回來,產(chǎn)生的多普勒頻移信息被儀器的天線接收。測(cè)出反射信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的頻率差,便可以計(jì)算出水面流速。
(1)精度高,無論是高程還是起點(diǎn)距,都可達(dá)到厘米級(jí)精度。
(2)操控性好,可通過操作遙控器上的按鍵,采集水邊、采集水位、測(cè)速。
(3)設(shè)備擴(kuò)充性好,無人機(jī)可搭載水文設(shè)備、可搭載攝像設(shè)備,還可搭載其他設(shè)備。
(4)水面可視性強(qiáng),設(shè)備搭載2個(gè)可切換的攝像頭,方便多角度觀測(cè)水面。
(5)符合水文工作習(xí)慣,軟件上的俯視圖、斷面圖符合水文工作習(xí)慣。
(6)坐標(biāo)系精準(zhǔn),無人機(jī)飛行軌跡、飛行過程,可疊加在交通圖、影像圖上顯示。
(7)數(shù)據(jù)交換功能強(qiáng),軟件可導(dǎo)出流量計(jì)算表。
(8)過程可回溯,軟件中的“重現(xiàn)飛行過程”“播放日志文件”功能,可再現(xiàn)測(cè)流過程。
(9)測(cè)流過程智能,系統(tǒng)可啟動(dòng)一鍵測(cè)流,無人機(jī)沿航線飛行,自動(dòng)懸停測(cè)速。
滎經(jīng)水文站建于1951年12月1日,該站測(cè)驗(yàn)斷面位于滎河與經(jīng)河匯合口下游約1.5km,由于基本水尺斷面與測(cè)流斷面不一致,故在1956年6月1日將基本水尺斷面上遷60m與測(cè)流斷面重合,稱滎經(jīng)(二)站。滎經(jīng)(二)站地處滎經(jīng)縣大田壩鄉(xiāng)新文村,站址坐標(biāo)為東經(jīng)102°51′、北緯29°49′,集水面積1694km2,高程系統(tǒng)采用吳淞基面,距上游滎經(jīng)縣城約4km,距河口27km,多年平均徑流量超過30億m3。該站測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有降水、水位、流量、泥沙等,屬國(guó)家三類精度站。
滎經(jīng)河屬于山溪性河流,水深、流速都較大,河床較為穩(wěn)定,該站水位流量關(guān)系多為多線型,大多數(shù)漲水時(shí)間都在深夜,且受上游電站調(diào)水影響,水位漲率較大,陡漲陡落,所以漲坡測(cè)流很困難。
3.2.1 比測(cè)方法
在轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)驗(yàn)的相同級(jí)水位,相同垂線進(jìn)行電波流速儀測(cè)速,兩者的相應(yīng)水位基本相同,分別進(jìn)行流量計(jì)算,得到兩種流速儀測(cè)驗(yàn)的流量成果,并進(jìn)行比測(cè)分析統(tǒng)計(jì)及計(jì)算。
3.2.2 比測(cè)資料系列
根據(jù)滎經(jīng)站2020年在不同水位級(jí)采用兩種流速儀所測(cè)的流量成果(轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)得實(shí)際流量,無人機(jī)搭載電波流速儀測(cè)得虛流量,且符合GB 50179-2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求),以轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)量值為真值,電波流速儀測(cè)量值為虛值,進(jìn)行比較分析及誤差統(tǒng)計(jì)。并對(duì)比分析相同垂線下無人機(jī)0.0和流速儀0.6的流速分布情況(如圖2),流速分布走向基本一致,且與斷面形狀基本對(duì)應(yīng)。
圖1 2020年滎經(jīng)站斷面
圖2 V電波0.0與V流速儀0.6高中低流速對(duì)比分布
滎經(jīng)水文站2020年無人機(jī)搭載電波流速儀和LS25-1轉(zhuǎn)子式流速儀比測(cè)資料及誤差分析見表1。
表1 滎經(jīng)(二)站流速儀與無人機(jī)測(cè)流流量誤差
分別建立無人機(jī)搭載電波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀水位流量關(guān)系,經(jīng)三線檢驗(yàn)合格,其中電波流速儀隨機(jī)不確定度為8.6%,系統(tǒng)誤差-1%,轉(zhuǎn)子式流速儀隨機(jī)不確定度為6.4%,系統(tǒng)誤差為0.0%,均符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)要求。
建立無人機(jī)搭載電波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀所測(cè)流量關(guān)系曲線,得出無人機(jī)搭載電波流速儀系數(shù)見圖3,流速儀流量與電波虛流量關(guān)系式為Q=Q0.0×0.86-64.4。
圖3 滎經(jīng)(二)站2020年流速儀與無人機(jī)測(cè)流流量關(guān)系
誤差分析參照《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)中測(cè)量精度要求,其相對(duì)誤差及標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如下:
式中:δ——測(cè)量誤差,用百分?jǐn)?shù)表示(%);
Q虛——電波流速儀測(cè)得的虛流量;
Q實(shí)——轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)得的實(shí)際流量;
SY——相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(%);
Y——算術(shù)平均值;
Yi——第i個(gè)測(cè)量值。
將60份流量作關(guān)系檢驗(yàn),各項(xiàng)檢驗(yàn)均合理,成果如下:
(1)誤差水平
系統(tǒng)誤差:P=0%。
相對(duì)誤差在±3%以內(nèi)的合格率:P=55%。
相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)的合格率:P=83.3%。
相對(duì)誤差在±8%以內(nèi)的合格率:P=90%。
相對(duì)誤差在±12%以內(nèi)的合格率:P=96.7%。
(2)符號(hào)檢驗(yàn)
正號(hào)個(gè)數(shù)k=26,負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)k=34,測(cè)點(diǎn)總數(shù)n=60,顯著性水平a=0.25,u=0.9,u(1-a/2)=1.15,u
(3)適線檢驗(yàn)
變換符號(hào)次數(shù)k=35,測(cè)點(diǎn)總數(shù)n=60,k>0.5(n-1),免作此檢驗(yàn)。
(4)偏離系數(shù)檢驗(yàn)
平均相對(duì)偏離值的標(biāo)準(zhǔn)sp=0.6%,統(tǒng)計(jì)量t=-0.95,顯著性水平a=0.1,臨界值t(1-a/2)=1.67,│t│ (5)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差 測(cè)點(diǎn)總數(shù)n=60,實(shí)測(cè)流量標(biāo)準(zhǔn)差Se=4.6%。 通過對(duì)比測(cè)資料進(jìn)行系統(tǒng)地分析,可以發(fā)現(xiàn)無人機(jī)搭載電波流速儀在滎經(jīng)水文站測(cè)流精度較高,滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)浮標(biāo)法測(cè)流精度標(biāo)準(zhǔn),符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)要求,可以作為滎經(jīng)水文站中高水(Z>738.50m)測(cè)流的應(yīng)急測(cè)驗(yàn)方法,其使用系數(shù)為Q=Q0.0×0.86-64.4。 采用無人機(jī)搭載電波流速儀實(shí)測(cè)流量,具有測(cè)驗(yàn)設(shè)施安裝簡(jiǎn)單、不受水草、纜道、漂浮物影響,安全可靠、可以在較為復(fù)雜的水流情況下進(jìn)行水面流速的測(cè)定,不僅可以降低人工測(cè)量的危險(xiǎn)系數(shù),而且可以提高流速準(zhǔn)確度,還可以高效地完成洪峰流量的應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作。因此,可以提前為下游做出可靠的預(yù)警預(yù)報(bào)信息,從而為城鎮(zhèn)低洼地段受威脅群眾爭(zhēng)取到寶貴的撤離時(shí)間。無人機(jī)搭載電波流速儀是一種值得在超警戒洪水以及需要對(duì)洪水淹沒進(jìn)行分析和預(yù)判推廣應(yīng)用的測(cè)流手段。4 結(jié)論