河道傳統(tǒng)測(cè)量如何改進(jìn)方案？
一、 方案概述
1.1方案背景
流量資料具有極為重要的作用，涉及防洪、水文水利計(jì)算、水資源評(píng)價(jià)等各個(gè)方面，因此河流流量測(cè)量是水文工作的重要內(nèi)容。每年需要耗費(fèi)大量的人力物力去完成測(cè)驗(yàn)任務(wù)。為了減輕流量測(cè)驗(yàn)工作量，長(zhǎng)期以來(lái)，水文工作者都在尋找減少流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)的方法。
常用的方法有：采用纜道測(cè)流或者走航測(cè)驗(yàn)等技術(shù)測(cè)流；研發(fā)給予水力學(xué)、水文學(xué)模型的水位推算流量的方法以實(shí)現(xiàn)水位推算流量方法；利用旋槳式流速儀對(duì)斷面多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)流。
傳統(tǒng)的測(cè)流方法多以單次測(cè)流或者人工測(cè)流為主。測(cè)流的歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)流的精度不高，且需要耗費(fèi)水文工作人員大量的時(shí)間。
現(xiàn)提出一種陣列式雷達(dá)流速儀，可以使用在寬河道的流量監(jiān)測(cè)，其安裝簡(jiǎn)便，可以替代人工測(cè)流。
1.2方案總體概述：
由于水流在不同位置的流速變化較大，故在不同的位置均布多臺(tái)流速儀，放置一臺(tái)雷達(dá)水位計(jì)，供電采用市政供電或者太陽(yáng)能供電，利用遙測(cè)終端機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。
雷達(dá)流速儀：用于非接觸測(cè)量水表面的流速。
雷達(dá)水位計(jì)：用于測(cè)量橋下河道的水位。
遙測(cè)終端機(jī)：讀取多臺(tái)雷達(dá)流速儀和1臺(tái)水位的數(shù)據(jù)并且將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總按照速度面積法計(jì)算過(guò)整個(gè)過(guò)流斷面的面積。
1.3雷達(dá)流速儀的測(cè)量原理：
雷達(dá)流速儀流速測(cè)量基于多普勒效應(yīng)，探頭斜向下發(fā)出一束雷達(dá)波，雷達(dá)波在照射到水體表面反射，由于多普勒效應(yīng)，發(fā)出去和雷達(dá)波和接收到的雷達(dá)波會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移Δf， 多普勒頻移Δf正比于流速。通過(guò)測(cè)量多普勒頻移Δf即可測(cè)量出流體的流速。
1.4速度面積法原理：
利用雷達(dá)流速儀測(cè)量流速V，利用雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量水位H，預(yù)先在控制器設(shè)置的斷面參數(shù)，控制器可以利用水位自動(dòng)換算出過(guò)流面積S，流體的流量公式為：
Q= V×S
其中V- - - -流速 S- - - -過(guò)流面積Q- - -瞬時(shí)流量。
由于采用了速度面積法測(cè)流，其可以適用于任何形態(tài)的斷面。
1.5雷達(dá)流速儀的安裝示意圖：
雷達(dá)流速儀用于河流和渠道的非接觸式表面流速測(cè)量。流速儀安裝在河流、渠道等水體上方（安裝高度大于0. 5m），沿水面夾角約45 - 6 0度方向向水面發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，反射回來(lái)的信號(hào)會(huì)被傳感器接收，并通過(guò)分析計(jì)算轉(zhuǎn)換為表面平均流速。
二、主要設(shè)備參數(shù)
2.1雷達(dá)流速儀：
有效距離
0~40m
測(cè)量精度
±0.01m/s
測(cè)量范圍
0.1-20、40m/s
分辨率
0.001m/s
供電范圍
9~24V
功耗
＜1W
工作溫度
-10℃~60℃
存儲(chǔ)溫度
-20℃~60℃
相關(guān)濕度
95%RH
通信接口
RS485
防護(hù)等級(jí)
IP66
天線頻率
24GHz
波束角
12X25°
2.2雷達(dá)水位計(jì)
技術(shù)參數(shù)
測(cè)量范圍
0~30m
分辨率
1mm
測(cè)量精度
±3mm
輸出接口
RS485
工作溫度
-10℃~60℃
存儲(chǔ)溫度
-20℃~70℃
2.3遙測(cè)終端機(jī)
支持流速、水位換算流量。
配套上位機(jī)軟件可設(shè)置渠道、管道類型參數(shù)等。
支持GPRS/GSM流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能。
支持同時(shí)向多個(gè)站點(diǎn)發(fā)送報(bào)文。
支持多種工作模式（包括自報(bào)模式、查詢、應(yīng)答式、兼容式等）。
內(nèi)置大容量存儲(chǔ)空間、支持USB本地?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)出功能。
支持遠(yuǎn)程升級(jí)、配置、維護(hù)。
工作溫度：-10~60℃。
配套上位機(jī)軟件。
三、軟件平臺(tái)和功能
遙測(cè)終端機(jī)每5分鐘（可根據(jù)情況設(shè)定）采集底層傳感器的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至相應(yīng)的服務(wù)器，通過(guò)數(shù)據(jù)查看平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查看、歷史報(bào)表、歷史圖形、導(dǎo)出excle等。
四、流量計(jì)算依據(jù)
依據(jù)GB50179-2015河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范采用多垂線流量計(jì)算。
將斷面劃分成多個(gè)斷面，然后計(jì)算各垂線的平均流速。通過(guò)各垂線的平均流速進(jìn)而計(jì)算出各分割斷面的流量進(jìn)而求和得到其累計(jì)流量。
部分流量和斷面流量的理論依據(jù)：
垂線流速計(jì)算的理論依據(jù)：
由于雷達(dá)流速儀是采用非接觸式多普勒效應(yīng)測(cè)流速，因而其測(cè)量的表面流速和部分平均流速之間是存在誤差的。因而需要采用其他的經(jīng)過(guò)校核過(guò)的流速儀進(jìn)行校核得到校正系數(shù)。
垂線流速校核的點(diǎn)數(shù)選擇：
垂線上測(cè)點(diǎn)流速的分布：
垂線上平均流速的計(jì)算方式：
通過(guò)上面的幾個(gè)依據(jù)得到的平均流速和設(shè)備測(cè)量表面流速進(jìn)行校核之后可以得到校正后的流速，然后利用垂線流速計(jì)算的理論依據(jù)和部分流量和斷面流量的理論依據(jù)就可以得到整個(gè)斷面的流量數(shù)據(jù)。
產(chǎn)品特點(diǎn)
防水、防凝露、防雷設(shè)計(jì)，適用于各種野外環(huán)境；
進(jìn)口平面微帶雷達(dá)非接觸式測(cè)量，不受氣候、泥沙及漂浮物影響；
能夠適應(yīng)復(fù)雜情況，不受高水位、垃圾、淤泥、植被等影響；
快速測(cè)量，數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，且適用于洪水高流速環(huán)境；
測(cè)量運(yùn)行和休眠模式相結(jié)合；
雷達(dá)發(fā)射波束角小，準(zhǔn)確度高，不易受外界影響；
結(jié)構(gòu)小巧，功耗低，安裝方便、易維護(hù)；
可配套本公司遙測(cè)終端機(jī)RTU，可輕松對(duì)接現(xiàn)有水文遙測(cè)系統(tǒng)或環(huán)保系統(tǒng)；
寬輸入電壓范圍，特別適合太陽(yáng)能電池供電系統(tǒng)；
獨(dú)有渠道流速模型，測(cè)量精度更高；
內(nèi)部集成增益調(diào)節(jié)功能，可以適應(yīng)不同的測(cè)流距離。
工作原理
雷達(dá)流速儀是利用多普勒效應(yīng)原理制成，工作時(shí)向水面發(fā)生電磁波，電磁波遇到運(yùn)動(dòng)的水面會(huì)發(fā)生散射，并構(gòu)成回波，由于接收到的回波頻率相對(duì)于發(fā)射頻率發(fā)生一定偏移，由多普勒頻率方程可求得水面流速，一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)會(huì)在雷達(dá)傳感器產(chǎn)生一個(gè)低頻輸出信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的頻率取決于移動(dòng)速度,幅度取決于距離，反射率和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的尺寸大小。多普勒頻移和運(yùn)動(dòng)速度成正比關(guān)系。定點(diǎn)式雷達(dá)流速儀的系統(tǒng)可接入多個(gè)雷達(dá)探頭，相當(dāng)于布設(shè)多個(gè)測(cè)量垂線，結(jié)合斷面參數(shù)，計(jì)算斷面流量。
雷達(dá)水位計(jì)主要由發(fā)射和接收裝置、信號(hào)處理器、天線，等幾部分組成，雷達(dá)水位計(jì)采用發(fā)射—反射—接收的工作模式，雷達(dá)水位計(jì)的天線發(fā)射出電磁波，這些電磁波經(jīng)被測(cè)對(duì)象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間與到水面的距離成正比，關(guān)系式如下：
D——雷達(dá)水位計(jì)到水面的距離
C——電磁波傳輸速度
T——電磁波運(yùn)行時(shí)間
雷達(dá)水位計(jì)記錄脈沖波來(lái)回的時(shí)間T，而電磁波的傳輸速度為常數(shù)C，則可計(jì)算出雷達(dá)天線到水面的距離D=C*T/2；水底到雷達(dá)天線的距離是L，計(jì)算可得出水位高度H=L-D。
雷達(dá)流量計(jì)用于河流和渠道的非接觸式流量測(cè)量。流量計(jì)安裝在河流、渠道等水體上方（安裝高度大于0.5m），氣泡水平儀居中，向水面發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，反射回來(lái)的信號(hào)會(huì)被傳感器接收，并通過(guò)分析計(jì)算轉(zhuǎn)換為表面平均流速。使用時(shí)將雷達(dá)流量計(jì)與機(jī)箱內(nèi)的遙測(cè)終端機(jī)連接好，機(jī)箱須做好接地措施，裝好太陽(yáng)能電池板即可開(kāi)機(jī)使用。
立桿整體安裝示意圖
橋梁安裝示意圖
由于雷達(dá)流速儀發(fā)射的雷達(dá)波有12度的發(fā)散角，為了保證雷達(dá)波不照射到岸邊，因此安裝離岸小距離與安裝高度應(yīng)該滿足以下要求：
S >( h/cos(a))*tan(60°) S:岸邊小距離 h:安裝高度 a:安裝水面夾角安裝高度與離岸小距離表格（安裝夾角為60°時(shí)）
1.流量計(jì)安裝角度可以參照雷達(dá)流量計(jì)上的水平儀進(jìn)行調(diào)節(jié)，水泡需要居中。
2.安裝需保持水平且需要安裝在水流平緩處。
3.安裝高度依現(xiàn)場(chǎng)情況而定，可對(duì)照5.4的表進(jìn)行比對(duì)，。注：不能被水淹沒(méi)。
4.安裝時(shí)應(yīng)盡量避免周圍有樹(shù)枝等活動(dòng)物體，天線面不能有遮擋物，以防造成干擾。
5.流量計(jì)的室外安裝應(yīng)做好遮陽(yáng)，擋雨和防干擾措施。
發(fā)生惡劣天氣前后需檢查、加固設(shè)備。
3.4.1. 測(cè)量河道時(shí)位置的選擇與測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有直接聯(lián)系，為了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，河道選擇的測(cè)量河段盡量滿足以下情況：
1）測(cè)量河段內(nèi)無(wú)巨大塊石阻水,無(wú)明顯漩渦、亂流、回流等現(xiàn)象。
2）測(cè)量河段宜順直、穩(wěn)定、水流集中。
3.4.2.干擾問(wèn)題：該雷達(dá)流速儀可探測(cè)很遠(yuǎn)的距離。如：車輛、行人、飛鳥(niǎo)、樹(shù)葉等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量的速度突然變大時(shí)就可能是測(cè)量到了遠(yuǎn)處的物體。此時(shí)應(yīng)放棄本次測(cè)量，重新啟動(dòng)測(cè)量。路燈或日光燈都會(huì)產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)會(huì)直接干擾測(cè)量結(jié)果。
3.4.3. 雨天干擾：雨滴可能會(huì)被雷達(dá)誤認(rèn)為是一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)，從而產(chǎn)生誤觸發(fā)。所以要保護(hù)天線罩不被雨水淋濕，離雨水越遠(yuǎn)干擾越小。
3.4.5. 漂浮物干擾：較小或者是快速通過(guò)雷達(dá)測(cè)量區(qū)域的漂浮物對(duì)雷達(dá)的影響較小。當(dāng)漂浮物面積大時(shí)就要通過(guò)后端處理。結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)前后幾個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前測(cè)量值進(jìn)行屏蔽或者處理。