1 問題的提出

近幾年，國家對中小河流、渠道的水文監(jiān)測需求不斷提高，很多中小河流開始逐步建立水情測報(bào)系統(tǒng)。然而由于中小河流水文站分布廣、地域?qū)�、站點(diǎn)多，特別是山溪性河流匯流速度快，洪水陡漲陡落等特點(diǎn)[1] ，以及很多河流、渠道存在間歇性斷流的情況，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)水文測驗(yàn)方式已很難滿足水文自動(dòng)化、信息化等的要求。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)在不同地域和環(huán)境中得到應(yīng)用，傳感器設(shè)備也由早期的簡單、單一型發(fā)展為數(shù)字、智能型[2] 。雷達(dá)流速儀和雷達(dá)水位計(jì)就是近幾年從國外引進(jìn)的水文測量設(shè)備。雷達(dá)類測量設(shè)備技術(shù)成熟，安裝方便，測量精度高，采用非接觸式的測量方法不受環(huán)境、地理的限制，因此被許多的水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)所采用[3 - 4] 。本文根據(jù)流量測量和信息化系統(tǒng)基本原理，設(shè)計(jì)了一套適用于中小河流、渠道等在線流量監(jiān)測的雷達(dá)流量站系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

雷達(dá)流量站在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、雷達(dá)流量站、傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。其中軟件平臺和數(shù)據(jù)接收軟件安裝在監(jiān)控中心服務(wù)器中，所有數(shù)據(jù)被接收軟件接收后保存在數(shù)據(jù)庫中，為了保證數(shù)據(jù)安全加裝了防火墻；雷達(dá)流量站安裝于河流、渠道現(xiàn)場，主要包括雷達(dá)流速儀、雷達(dá)水位計(jì)和遙測終端等設(shè)備，遙測終端采集到流速、水位數(shù)據(jù)后通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心；采用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性和安全性，使用方便、費(fèi)用低[5 - 6] 。流量在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖 1。

2.2 雷達(dá)流量站

雷達(dá)流量站由供電電源和儀器設(shè)備 2 部分組成，雷達(dá)流量站結(jié)構(gòu)見圖 2。系統(tǒng)支持太陽能電池和市電作為供電電源，在無市電的野外環(huán)境中采用單一的太陽能電池供電，在有市電的場所采用市電與蓄電池配合供電，可以有效防止臨時(shí)斷電時(shí)系統(tǒng)無電的情況，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。儀器設(shè)備主要包括遙測終端、雷達(dá)流速儀、雷達(dá)水位計(jì)和無線通信模塊等，遙測終端通過RS485轉(zhuǎn)換模塊與雷達(dá)流速儀、雷達(dá)水位計(jì)相連，采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過 GPRS/CDMA 無線通信模塊實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器中。

3 硬件選型

3.1 遙測終端

遙測終端采用浙江省水文局開發(fā)的語潤 YR - 3000 型設(shè)備，該設(shè)備不僅能將數(shù)據(jù)自動(dòng)上報(bào)至省水文局?jǐn)?shù)據(jù)平臺，還配備了液晶顯示模塊，可以在雷達(dá)流量站現(xiàn)場實(shí)時(shí)查詢流速和水位數(shù)據(jù)。語潤 YR - 3000 主要功能見表 1。

3.2 雷達(dá)流速儀

雷達(dá)測速儀選用 Sommer RG 30 非接觸雷達(dá)流量監(jiān)測遙測系統(tǒng)產(chǎn)品。非接觸式雷達(dá)測流系統(tǒng)具有土建簡單，測量范圍廣，便于隨時(shí)維護(hù)，少受水毀影響，不受污水腐蝕，不受泥沙影響等特點(diǎn)，能保障設(shè)備穩(wěn)定、安全運(yùn)行。RG - 30 具體性能指標(biāo)見表 2。雷達(dá)流速儀 RG30 的精度為1.0%，比一般的旋槳式流速儀的精度高（例如 MT - D 旋槳式流速儀精度為 1.5%），完全可以滿足實(shí)際渠道流量測量的需求。

3.3 雷達(dá)水位計(jì)

雷達(dá)水位計(jì)采用德國進(jìn)口的型號為 VEGAPULS WL61 設(shè)備，是測量水和污水物位的理想設(shè)備，特別適合用于水處理過程、泵站、以及溢出池、開放式水槽的流量測量和監(jiān)控。VEGAPULS WL61 經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安裝簡單靈活，采用防水外殼，永久免維護(hù)。VEGAPULS WL61 主要性能見表 3。

4 現(xiàn)場測試

雷達(dá)流量站在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在象山縣隔溪張水庫下游渠道選取合適的斷面位置進(jìn)行安裝試驗(yàn)，雷達(dá)流量站實(shí)物見圖 3。由于測試渠道寬度較小，因此采用橫跨式支架安裝雷達(dá)流速儀和雷達(dá)水位計(jì)，以保證設(shè)備穩(wěn)定、安全。遙測終端、充放電控制器和蓄電池等設(shè)備安裝于落地柜中。雷達(dá)流量站設(shè)備安裝過程中應(yīng)注意渠道兩邊的混凝土基礎(chǔ)必須保持水平，安裝雷達(dá)流量計(jì)時(shí)保持發(fā)射面處于上游方向，并與水面成 45°，安裝雷達(dá)水位計(jì)時(shí)保持發(fā)射面與水面平行，雷達(dá)探頭距離水面距離范圍可達(dá) 0.5 m 到 30.0 m。

該雷達(dá)流量站點(diǎn)處于野外，因此采用單一太陽能電池供電，太陽能電池板安裝角度約為 30° 左右，固定于落地柜頂板上方，以保證接收充足的太陽光照。系統(tǒng)運(yùn)行于低功耗模式，每隔 5 min 采集 1 次流速、水位數(shù)據(jù)，并通過GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上報(bào)至監(jiān)控中心保存、處理，數(shù)據(jù)采集傳輸完成后立即進(jìn)入休眠模式。

數(shù)據(jù)上傳后保存在浙江省水文局?jǐn)?shù)據(jù)平臺中，通過客戶端軟件讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算獲得流量數(shù)據(jù)，顯示軟件采用Excel 進(jìn)行編程，安裝于監(jiān)控中心服務(wù)器上，軟件界面結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)、流量曲線查看功能。系統(tǒng)根據(jù)遙測終端上傳的水位、流速數(shù)據(jù)和渠道實(shí)際斷面參數(shù)計(jì)算得到流量數(shù)據(jù)，軟件界面中顯示為每5 min 的流量數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)查詢菜單中可以查看歷史數(shù)據(jù)，并支持導(dǎo)出功能。

使用水位 — 流速法測量明渠的流量時(shí)，按照明渠斷面流速分布的經(jīng)驗(yàn)公式，需先將測流斷面進(jìn)行 n 等分，計(jì)算出各個(gè)分區(qū)的流量值，并對它們進(jìn)行求和，即可得出該明渠斷面的總流量值。本試驗(yàn)渠道為標(biāo)準(zhǔn)梯形渠道，根據(jù)明渠均勻流的流量進(jìn)行計(jì)算，具體公式為：流量（Q）＝ 平均流速（v）×渠道截面積（A） （1）根據(jù)流速計(jì)算的流量數(shù)據(jù)與根據(jù)水位數(shù)據(jù)計(jì)算的流量數(shù)據(jù)非常接近，驗(yàn)證該雷達(dá)流量站系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，而且測算結(jié)果能夠滿足業(yè)主的精度需求。

5 結(jié) 語

雷達(dá)流量站系統(tǒng)在象山縣隔溪張水庫下游渠道安裝后，實(shí)現(xiàn)水庫對渠道水位和流量的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)控，數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)率定，準(zhǔn)確度高，可以為水庫管理人員的決策提供數(shù)據(jù)支撐。雷達(dá)流量站安裝方便，基本免維護(hù)，可以有效解決水利工程經(jīng)常處于野外山區(qū)，而且面臨間斷性供水、岸邊不易建井且地勢復(fù)雜等情況，具有良好的推廣價(jià)值。