河道传统测量如何改进方案？ - 声学多普勒流速仪走航式测流时,水流速度过小

* k" i0 s" E% i9 Y( z$ t" Y

一、 方案概述

1.1方案背景

流量资料具有极为重要的作用，涉及防洪安全、水文水利计算、水资源评价等各个方面，因此河流流量测量是水文工作的重要内容。每年需要耗费大量的人力物力去完成测验任务。为了减轻流量测验工作量，长期以来，水文工作者都在寻找减少流量测验次数的方法。

常用的方法有：采用缆道测流或者走航测验等技术测流；研发给予水力学、水文学模型的水位推算流量的方法以实现水位推算流量方法；利用旋桨式流速仪对断面多个点进行测流。

传统的测流方法多以单次测流或者人工测流为主。测流的历时时间长，测流的精度不高，且需要耗费水文工作人员大量的时间。

! E" ?7 F) C( @2 L% y

现提出一种阵列式雷达流速仪，可以使用在宽河道的流量监测，其安装简便，可以替代人工测流。

1.2方案总体概述：

" L. u5 m0 @+ o3 c% a/ D

由于水流在不同位置的流速变化较大，故在不同的位置均布多台流速仪，放置一台雷达水位计，供电采用市政供电或者太阳能供电，利用遥测终端机对数据进行汇总。

" P2 J- f5 G6 U3 l: D

雷达流速仪：用于非接触测量水表面的流速。

: c6 i: m2 J1 e! ^( x' ?

雷达水位计：用于测量桥下河道的水位。

# u! K4 ], r* F: Z- B

遥测终端机：读取多台雷达流速仪和1台水位的数据并且将这些数据进行汇总按照速度面积法计算过整个过流断面的面积。

1 ]5 z3 Z9 M+ e; w: j* W9 \

1.3雷达流速仪的测量原理：

! r H6 i4 o3 g" S6 {* ^; y3 A

雷达流速仪流速测量基于多普勒效应，探头斜向下发出一束雷达波，雷达波在照射到水体表面反射，由于多普勒效应，发出去和雷达波和接收到的雷达波会产生多普勒频移Δf， 多普勒频移Δf正比于流速。通过测量多普勒频移Δf即可测量出流体的流速。

1.4速度面积法原理：

利用雷达流速仪测量流速V，利用雷达水位计测量水位H，预先在控制器设置的断面参数，控制器可以利用水位自动换算出过流面积S，流体的流量公式为：

4 {# N$ a1 _( O; f1 K! K8 L% N/ }

Q= V×S

其中V- - - -流速 S- - - -过流面积Q- - -瞬时流量。

" _2 s# Y3 g0 p7 \1 F

由于采用了速度面积法测流，其可以适用于任何形态的断面。

1.5雷达流速仪的安装示意图：

雷达流速仪用于河流和渠道的非接触式表面流速测量。流速仪安装在河流、渠道等水体上方（安装高度大于0. 5m），沿水面夹角约45 - 6 0度方向向水面发射雷达信号，反射回来的信号会被传感器接收，并通过分析计算转换为表面平均流速。

* S0 S$ r' I# ~. G/ _

二、主要设备参数

2.1雷达流速仪：

有效距离0~40m测量精度±0.01m/s测量范围0.1-20、40m/s分辨率0.001m/s供电范围9~24V功耗＜1W工作温度-10℃~60℃存储温度-20℃~60℃相关湿度95%RH通信接口RS485防护等级IP66天线频率24GHz波束角12X25°

2.2雷达水位计

' O' g2 u+ `( R6 O4 j! l, ~

8 a6 t3 m! k) y4 C U

技术参数

测量范围0~30m分辨率1mm测量精度±3mm输出接口RS485工作温度-10℃~60℃存储温度-20℃~70℃

2.3遥测终端机

支持流速、水位换算流量。配套上位机软件可设置渠道、管道类型参数等。支持GPRS/GSM流量数据远程传输功能。支持同时向多个站点发送报文。支持多种工作模式（包括自报模式、查询、应答式、兼容式等）。内置大容量存储空间、支持USB本地数据导出功能。支持远程升级、配置、维护。工作温度：-10~60℃。配套上位机软件。

三、软件平台和功能

遥测终端机每5分钟（可根据情况设定）采集底层传感器的数据，并将其发送至相应的服务器，通过数据查看平台可以实现实时数据的查看、历史报表、历史图形、导出excle等。

. B) f" ?) S* J9 t& X# {; G

四、流量计算依据

依据GB50179-2015河流流量测验规范采用多垂线流量计算。

7 q3 p8 j+ Z* N% P# H8 w# P' i

将断面划分成多个断面，然后计算各垂线的平均流速。通过各垂线的平均流速进而计算出各分割断面的流量进而求和得到其累计流量。

: K( ]8 g/ z F- H

部分流量和断面流量的理论依据：

) v2 r1 g1 L% [1 Z0 m4 \1 h3 v

垂线流速计算的理论依据：

2 n7 E0 P* w2 V! x, d* \% B

由于雷达流速仪是采用非接触式多普勒效应测流速，因而其测量的表面流速和部分平均流速之间是存在误差的。因而需要采用其他的经过校核过的流速仪进行校核得到校正系数。

( o9 ]# Q u+ e* M8 J" @0 H

垂线流速校核的点数选择：

. E0 s) T- ^3 v5 w" L9 r- u

垂线上测点流速的分布：

0 \! n$ {4 D% O. P9 a) A8 L1 t, I

垂线上平均流速的计算方式：

通过上面的几个依据得到的平均流速和设备测量表面流速进行校核之后可以得到校正后的流速，然后利用垂线流速计算的理论依据和部分流量和断面流量的理论依据就可以得到整个断面的流量数据。

4 v& ^6 c( b9 I3 i( D ( k! W6 j& ~. M) I W8 y ( Q5 c6 k2 F$ o' W3 t . {+ v6 p" U' ~! u$ @ ) E" P& O% i' u: x' D6 p