河道傳統(tǒng)測量如何改進方案？
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、水文水利計算、水資源評價等各個方面，因此河流流量測量是水文工作的重要內(nèi)容。每年需要耗費大量的人力物力去完成測驗任務(wù)。為了減輕流量測驗工作量，長期以來，水文工作者都在尋找減少流量測驗次數(shù)的方法。
常用的方法有：采用纜道測流或者走航測驗等技術(shù)測流；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現(xiàn)水位推算流量方法；利用旋槳式流速儀對斷面多個點進行測流。
傳統(tǒng)的測流方法多以單次測流或者人工測流為主。測流的歷時時間長，測流的精度不高，且需要耗費水文工作人員大量的時間。
現(xiàn)提出一種陣列式雷達流速儀，可以使用在寬河道的流量監(jiān)測，其安裝簡便，可以替代人工測流。
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流速儀，放置一臺雷達水位計，供電采用市政供電或者太陽能供電，利用遙測終端機對數(shù)據(jù)進行匯總。
雷達流速儀：用于非接觸測量水表面的流速。
雷達水位計：用于測量橋下河道的水位。
遙測終端機：讀取多臺雷達流速儀和1臺水位的數(shù)據(jù)并且將這些數(shù)據(jù)進行匯總按照速度面積法計算過整個過流斷面的面積。
1.3雷達流速儀的測量原理：
雷達流速儀流速測量基于多普勒效應(yīng)，探頭斜向下發(fā)出一束雷達波，雷達波在照射到水體表面反射，由于多普勒效應(yīng)，發(fā)出去和雷達波和接收到的雷達波會產(chǎn)生多普勒頻移Δf， 多普勒頻移Δf正比于流速。通過測量多普勒頻移Δf即可測量出流體的流速。
1.4速度面積法原理：
利用雷達流速儀測量流速V，利用雷達水位計測量水位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換算出過流面積S，流體的流量公式為：
Q= V×S
其中V- - - -流速 S- - - -過流面積Q- - -瞬時流量。
由于采用了速度面積法測流，其可以適用于任何形態(tài)的斷面。
1.5雷達流速儀的安裝示意圖：
雷達流速儀用于河流和渠道的非接觸式表面流速測量。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)射雷達信號，反射回來的信號會被傳感器接收，并通過分析計算轉(zhuǎn)換為表面平均流速。
二、主要設(shè)備參數(shù)
2.1雷達流速儀：
有效距離
0~40m
測量精度
±0.01m/s
測量范圍
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℃
存儲溫度
-20℃~60℃
相關(guān)濕度
95%RH
通信接口
RS485
防護等級
IP66
天線頻率
24GHz
波束角
12X25°
2.2雷達水位計
技術(shù)參數(shù)
測量范圍
0~30m
分辨率
1mm
測量精度
±3mm
輸出接口
RS485
工作溫度
-10℃~60℃
存儲溫度
-20℃~70℃
2.3遙測終端機
支持流速、水位換算流量。
配套上位機軟件可設(shè)置渠道、管道類型參數(shù)等。
支持GPRS/GSM流量數(shù)據(jù)遠程傳輸功能。
支持同時向多個站點發(fā)送報文。
支持多種工作模式（包括自報模式、查詢、應(yīng)答式、兼容式等）。
內(nèi)置大容量存儲空間、支持USB本地數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。
支持遠程升級、配置、維護。
工作溫度：-10~60℃。
配套上位機軟件。
三、軟件平臺和功能
遙測終端機每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，通過數(shù)據(jù)查看平臺可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的查看、歷史報表、歷史圖形、導(dǎo)出excle等。
四、流量計算依據(jù)
依據(jù)GB50179-2015河流流量測驗規(guī)范采用多垂線流量計算。
將斷面劃分成多個斷面，然后計算各垂線的平均流速。通過各垂線的平均流速進而計算出各分割斷面的流量進而求和得到其累計流量。
部分流量和斷面流量的理論依據(jù)：
垂線流速計算的理論依據(jù)：
由于雷達流速儀是采用非接觸式多普勒效應(yīng)測流速，因而其測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)過校核過的流速儀進行校核得到校正系數(shù)。
垂線流速校核的點數(shù)選擇：
垂線上測點流速的分布：
垂線上平均流速的計算方式：
通過上面的幾個依據(jù)得到的平均流速和設(shè)備測量表面流速進行校核之后可以得到校正后的流速，然后利用垂線流速計算的理論依據(jù)和部分流量和斷面流量的理論依據(jù)就可以得到整個斷面的流量數(shù)據(jù)。
產(chǎn)品特點
防水、防凝露、防雷設(shè)計，適用于各種野外環(huán)境；
進口平面微帶雷達非接觸式測量，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；
快速測量，數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，且適用于洪水高流速環(huán)境；
測量運行和休眠模式相結(jié)合；
雷達發(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；
可配套本公司遙測終端機RTU，可輕松對接現(xiàn)有水文遙測系統(tǒng)或環(huán)保系統(tǒng)；
寬輸入電壓范圍，特別適合太陽能電池供電系統(tǒng)；
獨有渠道流速模型，測量精度更高；
內(nèi)部集成增益調(diào)節(jié)功能，可以適應(yīng)不同的測流距離。
工作原理
雷達流速儀是利用多普勒效應(yīng)原理制成，工作時向水面發(fā)生電磁波，電磁波遇到運動的水面會發(fā)生散射，并構(gòu)成回波，由于接收到的回波頻率相對于發(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，一個運動目標(biāo)會在雷達傳感器產(chǎn)生一個低頻輸出信號。這個信號的頻率取決于移動速度,幅度取決于距離，反射率和運動目標(biāo)的尺寸大小。多普勒頻移和運動速度成正比關(guān)系。定點式雷達流速儀的系統(tǒng)可接入多個雷達探頭，相當(dāng)于布設(shè)多個測量垂線，結(jié)合斷面參數(shù)，計算斷面流量。
雷達水位計主要由發(fā)射和接收裝置、信號處理器、天線，等幾部分組成，雷達水位計采用發(fā)射—反射—接收的工作模式，雷達水位計的天線發(fā)射出電磁波，這些電磁波經(jīng)被測對象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時間與到水面的距離成正比，關(guān)系式如下：
D——雷達水位計到水面的距離
C——電磁波傳輸速度
T——電磁波運行時間
雷達水位計記錄脈沖波來回的時間T，而電磁波的傳輸速度為常數(shù)C，則可計算出雷達天線到水面的距離D=C*T/2；水底到雷達天線的距離是L，計算可得出水位高度H=L-D。
雷達流量計用于河流和渠道的非接觸式流量測量。流量計安裝在河流、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)射雷達信號，反射回來的信號會被傳感器接收，并通過分析計算轉(zhuǎn)換為表面平均流速。使用時將雷達流量計與機箱內(nèi)的遙測終端機連接好，機箱須做好接地措施，裝好太陽能電池板即可開機使用。
立桿整體安裝示意圖
橋梁安裝示意圖
由于雷達流速儀發(fā)射的雷達波有12度的發(fā)散角，為了保證雷達波不照射到岸邊，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）
1.流量計安裝角度可以參照雷達流量計上的水平儀進行調(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)場情況而定，可對照5.4的表進行比對，。注：不能被水淹沒。
4.安裝時應(yīng)盡量避免周圍有樹枝等活動物體，天線面不能有遮擋物，以防造成干擾。
5.流量計的室外安裝應(yīng)做好遮陽，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. 測量河道時位置的選擇與測量結(jié)果的準(zhǔn)確性有直接聯(lián)系，為了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，河道選擇的測量河段盡量滿足以下情況：
1）測量河段內(nèi)無巨大塊石阻水,無明顯漩渦、亂流、回流等現(xiàn)象。
2）測量河段宜順直、穩(wěn)定、水流集中。
3.4.2.干擾問題：該雷達流速儀可探測很遠的距離。如：車輛、行人、飛鳥、樹葉等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)測量的速度突然變大時就可能是測量到了遠處的物體。此時應(yīng)放棄本次測量，重新啟動測量。路燈或日光燈都會產(chǎn)生一定頻率的信號會直接干擾測量結(jié)果。
3.4.3. 雨天干擾：雨滴可能會被雷達誤認(rèn)為是一個移動目標(biāo)，從而產(chǎn)生誤觸發(fā)。所以要保護天線罩不被雨水淋濕，離雨水越遠干擾越小。
3.4.5. 漂浮物干擾：較小或者是快速通過雷達測量區(qū)域的漂浮物對雷達的影響較小。當(dāng)漂浮物面積大時就要通過后端處理。結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)前后幾個數(shù)據(jù)對當(dāng)前測量值進行屏蔽或者處理。