侧扫雷达在线测流系统研究与应用.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)10-0 16 3-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023侧扫雷达在线测流系统研究与应用邹巍，胡春杰，嵇海祥？，郁婷2（1.江苏南水科技有限公司，江苏南京2 10 0 12；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京2 10 0 12）【摘要】为加快水文监测新技术与装备在水文测报中的应用，在云南允景洪水文站建设了一套侧扫雷达在线测流系统示范应用站。侧扫雷达在线测流系统，通过非接触式雷达技术，实现对河流表面流场、网格点流速进行连续监测；结合同步监测水位，从而实现全天候、连续自动河流流量监测与数据传输。通过对侧扫雷达表面流速的分析，建立表面流速模型推算出的侧扫雷达断面平均流速与ADCP实测断面平均流速进行关系曲线检验，其系统误差、符号检验、适线检验、偏离数值检验及不确定度均为合格，侧扫雷达在线测流系统测验精度符合规范要求。【关键词侧扫雷达；表面流速；示范站；应用【中图分类号TP274【文献标识码AResearch and Application of On-line Flow Measurement System for Side Scan RadarZou Wei,Hu Chunjie,Ji Haixiang,Yu Ting(1.Jiangsu Nihwa Technology Co.,Ltd.Nanjing 210012,Jiangsu;2.Nanjing Research Institute of Hydrology and WaterConservancy Automation,Ministry of Water Resources,Nanjing 210012,Jiangsu)Abstract:In order to speed up the application of new technologies and equipment for hydrological monitoring inhydrological forecasting,a set of side-scan radar online flow measurement system demonstration application station was builtat Yunjing Hongshui station in Yunnan.The side-scan radar online flow measurement system,through non-contact radartechnology,realizes continuous monitoring of river surface flow field and grid point flow velocity;combined with synchronousmonitoring of water level,it realizes all-weather,continuous automatic river flow monitoring and data transmission.Throughthe analysis of the surface flow velocity of the side-scan radar,the average flow velocity of the side-scan radar sectioncalculated by the establishment of the surface velocity model and the average flow velocity of the ADCP measured section aretested by the relationship curve.The degree of certainty is all qualified,and the test accuracy of the side-scan radar onlineflow measurement system meets the requirements of the specification.Key words:Side scan radar;surface velocity;demonstration station;application术，能实现大江大河的流量在线实时监测。采用非接触式雷0引言达技术，实现对河流表面流速进行连续监测，并提供网络数河道流量测量是水文工作的重要内容之一，涉及防洪安据服务，通过水位、过流面积、断面表面流速比的数据交互，全、水文水利计算、水资源评价等各个方面，对掌握水情与完成流量数据网络合成，从而实现全天候、连续自动河流流水资源状况，进行防汛减灾、调配水资源的基础建设具有十量监测与数据传输。其环境适应性强，受气象条件影响很小，分重要意义。目前面对特大洪水的河道流量监测手段很少，不仅适用于常规流量监测，而且适用于恶劣天气、应急测量、传统的流量监测手段都是基于接触式测量，常用设备包括机高洪多漂浮物、漫滩、河面结冰（初期薄冰）等恶劣环境的械型转子式流速仪、浮标法、ADCP等，并且该类测量设备流量监测。必须浸于水体，人工参与度高，测量周期长，汛期危险性高，本文针对侧扫雷达测流系统测流过程中所要注意和处理因此常规测验手段无法完成应急测量任务1-3。的技术问题展开探讨，并结合水利部水文司组织“新技术在侧扫雷达在线测流系统是一种新型的河流流量监测技水文测报中的研发推广”之“基于侧扫雷达的在线流量监测收稿日期2 0 2 3-0 1-30【基金项目水利技术示范项目（SF-202008）；水利技术示范项目（SF-202113）【作者简介邹巍（19 8 9-），女，江西抚州人，工程师，主要从事水利信息化相关工作。.163第10 期2023年10 月系统研发示范”专题研究工作，在云南允景洪水文站安装了侧扫雷达在线测流系统。通过水文缆道牵引SONTEK-M9型走航式ADCP获取河流断面流速，开展比测分析。1侧扫雷达测流工作原理侧扫雷达是利用多普勒效应进行测速，充分地利用了水流表面的Bragg散射特性，当侧扫雷达测流仪发射的电磁波信号投射到水面时，会与水面的波浪发生相互作用。当波浪长度是电磁波波长的一半时，会对电磁波信号产生最强的后向散射。利用水流表面的Bragg散射特性来获取河流表面多个分单元流速4，根据有效单元流速推出平均流速；结合同步监测水位，根据河流断面资料获得实时过流面积，从而实现实时流量在线监测。雷达安装在河岸上，天线主轴垂直于河流，可根据设定定时或实时进行表面流场测速，不仅提供断面平均流速，还提供表面流场的二维各网格点流速流向，侧扫雷达测量单元示意图见图1。十H工图1侧扫雷达测量单元示意图侧扫雷达测流仪测量断面流速并将流速数据发送到云端的数据平台，数据平台通过断面资料、水位和流速数据合成流量数据。从每个距离段的回波频谱提取出水体的表面流速，依据频谱的信噪比计算置信度，每个距离段的表面流速和置信度就是测流系统的基础数据。将基础数据按距离排序，同时计算出平均表面流速v表面和总置信度。根据指标流速法将平均表面流速与实测流速建立相关关系，进而求出断面流量。Q=V实侧?A=hV表面?A式中：Q为过水断面流量；A为断面面积；k为表面流速与实测流速的相关系数。防雷接地测扫雷达数据采集数据传输与接收断面流量电源系统水位流量模型图2侧扫雷达系统工作流程图2系统组成侧扫雷达在线测流系统主要由1组发射天线、3组接收天线、1个综合机箱、4根馈线电缆、1个支撑架、1根电源线及1根数据接口线组成。综合机箱中有1个发射模块、1个3通道接收模块、1块3通道信号处理板、1个电源、1个接口板及信息处理软件等组成。:164陕西水利Shaanxi WaterResources3数据比测分析3.1侧扫雷达表面流速比测采用水文缆道牵引走航式ADCP（M 9）在断面下游约26m处进行往返2 个测回得到4次流量，将4次流量取得的表层流速横向分布数据投影至侧扫雷达测验断面，分别计算侧扫雷达获取指标流速各测点位置相对应的ADCP水面流速均值，通过比对高水测次、中水测次、低水测次流速分布情L况如下：(1)高水测次分析成果河面2021年5月14日，测时水位538.2 9 m，属于高水位级，比测结果见表1。从图4可以看出，高水位级时侧扫雷达表面流速相较ADCP表层流速分布右岸偏小，从右岸向左岸偏R大程度递增。表1高水位级侧扫雷达与M9型走航式ADCP表层流速平均值对比侧扫雷达5ADCP4次平ADCP4次平侧扫雷达起一层流速相次平均指标均一层流速均二层流速点距m对误差流速/(m/s)/(m/s)71.101.7881.102.3191.102.28101.102.42111.102.65121.102.45131.103.07141.103.09151.103.27数据处理161.10171.10181.10191.10201.10211.10221.10231.10241.10251.10261.10271.10281.10No.10October,2023接收天线一发射天线主控机箱支架基座图3侧扫雷达系统组成/(m/s)2.052.132.442.442.482.382.662.672.672.602.612.582.782.752.842.842.872.863.452.833.543.033.622.993.502.953.732.983.692.933.602.763.572.703.612.473.572.463.602.443.742.233.612.17-13.13-5.51-8.09-9.13-0.85-5.9610.438.7613.822.7321.882.8616.822.8921.172.9718.612.9825.132.8525.612.8030.432.6132.262.4446.182.4945.112.4147.472.2067.892.1166.65第10 期2023年10 月4.003.503.00(s/叫)/2.502.001.501.000.500.0050.00图4高水位级侧扫雷达表面流速与走航式ADCP表层流速比测分析图（2）中水测次分析成果2021年3月2 0 日，测时水位为536.6 9 m，属于中水位级，比测结果见表2。侧扫雷达水面测速单元2 6 个，选取有效流速单元2 2 个（起点距7 1.1m281.1m）。从图5可以看出，中水位级侧扫雷达表面流速相较ADCP表层流速分布右岸波动幅度较大，中部一致，自中部向左岸侧扫雷达表面流速较ADCP表层流速偏大程度递增。4.003.503.00(s/u)/2.502.001.501.000.500.0050.00图5中水位级侧扫雷达表面流速与走航式ADCP表层流速比测分析图表2中水位级侧扫雷达与M9型走航式ADCP表层流速平均值对比侧扫雷达侧扫雷达5次平均ADCP4次平均二二层流速相起点距/（m/s）指标流速/(m/s）71.101.3181.101.9791.102.27101.101.86111.102.02121.102.58131.102.52141.102.68151.102.60161.102.65171.102.58181.102.74191.102.76201.102.67211.102.85221.103.18231.103.21241.103.15251.103.40261.103.18271.103.48281.103.14陕西水利Shaanxi Water Resources（3）低水测次分析成果2021年9 月2 2 日，测时水位为534.9 8 m，属于低水位级，比测结果见表3。侧扫雷达水面测速单元2 6 个，选取有效流侧拍雷达5次平均指标流速速单元2 2 个（起点距7 1.1m281.1m）。从图6 可以看出，中ADCP4次平均一层流速ADCP4次沈平均二层流速100.00150.00起点距/m侧扫雷达5次平均指标流速ADCP4次平均十层流速100.00150.00起点距/m层流速/(m/s）1.791.791.951.982.032.012.002.032.182.292.242.402.412.282.292.192.051.991.911.961.801.65No.10October,2023低水位级侧扫雷达表面流速相较ADCP表层流速分布右岸波动幅度较大，中部一致，自中部向左岸侧扫雷达表面流速较200.00250.00200.00250.00300.00300.00对误差26.7110.2216.27-6.08-0.4828.6326.0732.3918.9415.9215.2114.1214.2617.1724.8045.2657.0758.2577.5561.9592.6189.75ADCP表层流速偏大程度递增。2.502.00(s/)/1.501.000.500.0050.00图6低水位级侧扫雷达表面流速与走航式ADCP二层流速比测分析图表3低水位级侧扫雷达与M9型走航式ADCP表层流速平均值对比侧扫雷达侧扫雷达5次平均ADCP4次平均二起点距/（m/s）指标流速/(m/s)71.100.5981.100.6991.101.24101.101.25111.101.35121.101.43131.101.49141.101.58151.101.64161.101.77171.101.89181.101.78191.101.89201.101.88211.101.85221.101.85231.101.83241.101.91251.101.90261.101.85271.101.74281.101.643.2侧扫雷达指标流速关系率定3.2.1侧扫雷达指标流速计算允景洪水文站雷达流速单元共有2 6 个，从雷达起点距61.1m311.1m，每10 m为1个单元，分析侧扫雷达的指标流速采用可信度大于8 0%的单元水面流速取算术平均计算。本次流速分析选择雷达起点距7 1.1m281.1m共2 2 个在各水位级获得可信度稳定大于8 0%的单元流速进行算术平均，作为侧扫雷达指标流速，见图7。（下转第16 9 页）:165.侧扫雷达5次平均指标流速ADCP4次平均十层流速100.00150.00起点距/m层流速/(m/s)1.221.201.151.171.131.161.221.311.341.441.451.431.451.451.351.341.281.271.211.120.950.69200.00250.00二层流速相对误差-51.2742.578.256.9319.6123.2221.8220.7922.7923.1430.6424.3330.8029.6436.4138.1442.5549.7156.8364.4682.83138.78300.00第10 期2023年10 月50484644424038363432302.4图3C35混凝土胶水比与抗压强度关系表15微膨胀混凝土优化后各参数值设计设计级配水胶比指标落度/cmC3514-166结语针对三河口大坝工程微膨胀混凝土抗渗、抗冻、极限拉伸等设计性能指标要求高的特点，微膨胀混凝土配合比试验要选用合理水胶比、粉煤灰掺量及高效减水剂、引气剂，控制好微膨胀混凝土含气量，能够较好地降低温升、提高抗裂陕西水利Shaanxi Water Resources7d-28dy=17.02x-1.5081R-0.9981y=17.165x-10.291R=0.9942.52.6胶水比砂率粉煤灰Mg0/%1%1%二0.38No.10October,2023表14混凝土水胶比与抗压强度回归方程设计配置强序号指标度/MPa1C355.4最优配合比确定经过对微膨胀混凝土试验选取的参数进行试验、计算分2.72.83820回归方程42.4Y=17.02X-1.5081 R*=0.99812.9析和优化后，最终确定的配合比见表15。材料用量/(kg/m)KLN-粗骨料/mm外加剂3/%用水量水泥粉煤灰砂5202040KLN-361.2相关计算推荐系数水胶比水胶比0.3880.38密度/Mgo(kg/m)175369及耐久性能。根据招标文件、设计图纸、相关混凝土规范和技术要求，通过严谨、科学的试验能够看出微膨胀混凝土优化后配合比的各参数值都满足规范和设计要求，也为同类水文地质和气候条件下的工程项目提供了参考。经过优选，提高了微膨胀混凝土的各项性能，确保了混凝土质量，降低了造价。926725485485.5327.662410（上接第16 5页）560.00555.00550.00545.00540.00535.00530.000050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0起点距/m图7 允景洪水文站侧扫雷达流速单元分布图3.2.2侧扫雷达指标流速与断面平均流速关系率定本次流速关系率定共选取走航式ADCP（M 9）流量测验资料41份。每份流量资料均采用两个测回的均值作为比测流量。断面平均流速采用走航式ADCP流量除以断面面积获取。从图8 可知，总体上侧扫雷达指标流速和走航式ADCP平均流速变化趋势基本一致。3.503.002.50(/)/率2.001.501.000.500.00510图8平均流速趋势对比分析图4结语允景洪水文站侧扫雷达流速单元共有2 6 个，从雷达起点距6 1.1m311.1m，每10 m为1个单元，分析侧扫雷达的实侧最高水位：552.2 2 m高水位：539.6 3m中水位：536.6 0 m低水位：535.0 4m雷达无效流速单元雷达有效流速单元标洗进ADCP平均流速152025样本序号指标流速采用置信度大于8 0%（起点距7 1.1m281.1m）的22个单元水面流速取算术平均计算作为侧扫雷达各测次指标流速，根据对ADCP两年实测资料的流速相关关系分析，建立流速关系模型，适线检验、符号检验和偏离数值检验均合格，侧扫雷达流量测验精度符合河流流量测验规范（GB50179-2015）的要求。侧扫雷达在线流量监测系统采用非接触式雷达技术，能对河流表面流场、网格点流速进行全天候、连续监测；在高洪测验时设备比其他测验方法更不易受洪水损毁，是今后流量在线监测的一个较好的发展方向，值得推广应用。1王俊.长江水文测验方式方法技术创新的探索与实践 J.水文,2 0 11,31(S1):1-3.2熊莹，王俊.长江水文测验体系创新实践与方向性问题探讨 J.华北水利水电大学学报（自然科学版），2 0 17,38（2）：11-15.3李庆平，秦文安，毛启红.非接触式流量在线监测技术在山区性3035参考文献4045河流的应用研究J.湖北民族学院学报（自然科学版）,2 0 13,31(3):354356.4林思夏，曾仲毅，朱云通，等侧扫雷达测流系统开发与应用 J.水利信息化，2 0 19（1)：31-36.:169.