智能浮标测流系统在辽宁地区流速系数的测定

崔 巍

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

超标准洪水现有测量形式为无人机投放自制简易浮标、投浮索投放简易浮标、观测中泓浮标、比降面积推流等方式[1]。这些测量形式存在超标洪水观测携带的全站仪等仪器设备多，测量位置局限，受恶劣天气影响误差较大，数据实时处理上报效率低等弊端[2]。我国浮标测流技术起步较早，但对浮标测流技术的研究与国外其他先进国家还有一定程度的差距[3]，主要在浮标承载设备指标、观测误差上存在一些差距，当前国内的浮标测流系统传感器采用自主研发技术的还较少，主要还是采用国外进口传感器。此外在卫星通信上面也存在一定差距，近些年来，北斗卫星通信技术在国内许多地区河流流量测验中得到具体应用[4-12]，但在浮标测流上应用还较少，为此文章基于北斗卫星作为通信信道，结合遥测技术构建智能浮标测流系统，并首次在辽宁地区进行比测分析，研究成果对于超标洪水自动化、便捷化、实效化测报能力的提升具有重要的研究意义。

1 智能浮标集成装置组件

1.1 浮标设计

智能浮标设计及定位采用3D打印技术，综合考虑了超标洪水波浪运移翻滚等综合条件，在浮标外形上充分针对河流超标水体特点进行设计，采用流线型设计，入水部分采用磨砂工艺来增大外壳摩擦力，大幅避免了浮标与水体移动形成的数据变差。

在防水设计上对流线型外壳进行了专门的防水设计，达到了IPX5级防水，避免了可能出现漏水和渗水等现象，保护了浮标内部的电子设备。外壳采用高强度环保工程塑胶，产品尺寸仅有20cm，重量仅0.5kg。浮标内部结构图如图1所示。

图1 浮标内部结构图

1.2 定位模块

卫星定位模块优先采用国内自主研发的北斗导航卫星定位系统，该系统定位的准确度、实施有效性以及通信功能都有很多优势，北斗导航卫星定位系统具有短报文通信这一特殊功能，可以保障重要区域信息的安全稳定传输，在国内的信号覆盖程度也较高，尤其是偏远地区河流的信号覆盖，且传输通信性价比也非常高，但其单次数据存储的容量相对较低。卫星定位模块利用差分定位原理，以北斗通信模块为主，GPS通信模块为辅，提供亚米级的高精度定位功能，保障了数据的精度；定位终端融合了GSM网络及北斗卫星系统定位技术，具有设备实时定位追踪、轨迹回放、位移、越界及震动报警功能，搭配手机端及电脑端位置服务平台，可实现设备远程控制管理及客户端应用。

1.3 数据收发

采用4G通信方式进行数据的传输，保障了数据高传输速率安全可靠的数据通信模块，实现双向交互通信，为保障链路畅通，传感器优先考虑了高精度、高可靠、少耗电等功效，集成控制智能模块式设计，即时控制开关，简易开启即开始接收卫星、自动定位、数据收发等工作的运行。

1.4 数据算法

流速仪法按照测量原理分为旋桨式流速仪、电磁式流速仪、超声波流速测算仪，精度相对于传统浮标法要高，适用于测流环境比较好的情况，当发生大水或者水体较为复杂时，会发生较大的系统偏差。智能浮标放在河流中顺水行进，浮标内部定位及通信模块每隔1秒采集一次浮标位置，发送到中心的监测软件上，监测软件收到数据后，对数据进行过滤，去除无效数据点，然后根据水流特征算法对流速和流向进行计算，计算出的结果显示在监测软件上。GPS定位系统不仅可以获得接收机的空间位置，还可以求得接收机的运动速度。首先对测流浮标系统的位置进行定位，其中L、B、H分别表示经纬度和高程。通过高斯投影方法对定位系统采集的高程和经纬度进行坐标转换。通过系统接收机所在位置来对其测定的水流流速进行位移求导，结合在t1和t2两个假定计算时刻接收机的坐标位置Xi(t1)和Xi(t2)进行速度的转换计算：

(1)

接收机的综合速率V计算方程为

(2)

2 辽宁地区不同类型河道比测分析

根据不同的起点距抛投多个智能浮标，通过计算垂线流速计算流量。对辽宁省多条山丘区河流及平原区河流分别采用流速仪法、ADCP结合智能浮标，根据GB 50179—2015《河道流量测验规范》开展智能浮标流速系数测验工作，并进行相关分析，推求智能浮标流速系数。

2.1 智能浮标流速系数测定分析

浮标流速系统受测流外界条件影响较多，流量主要通过流速和测流过水断面面积间接计算得到。过水断面的测流横断面为其河流的中泓线，中泓浮标测流流速主要从其上下游断面进行水面流速平均值的测定和计算，用该流速和断面面积进行累积相乘得到断面虚流量值，中泓浮标测流流速系数的精准和稳定决定了测流的精度，利用河槽改正系数KW对流速系数的校正，进一步推求流速量系数，计算方程为

KW=Af/Ac

(3)

Af=(Au+4Am+A1)/6

(4)

式中，KW—河槽改正系数；Af—浮标测流河段平均断面面积，m2；Ac—流速仪测流断面面积，m2；Au—浮标上断面面积，m2；Am—浮标中断面面积，m2；A1—浮标下断面面积，m2。主要对其测流误差进行控制，采用比测分析方式结合人工测定值和浮标测流值进行误差的拟合分析，拟合度越高，表明其误差程度越低，反之误差较大，误差R2计算方程为

R2=ssreg/sstotal

(5)

式中，sstotal—总平方和；ssreg—回归平方和。结合流速系数计算和误差分析方法，对辽河段、浑河段平原区、太子河段山丘区及部分辽西山地丘陵区中小河流进行现场实验比测分析，确定智能浮标中泓一点法流速系数，比测结果见表1。

表1 不同河段智能浮标中泓一点法流速系数表

从不同河段智能浮标中泓一点法流速系数比测分析结果可看出，采用智能浮标系数下测定的流量误差均在±5%以内，满足GB 50179—2015流量比测的精度要求，不同河段的中泓一点法流速系数具有较为明显的河道地形特征，这主要是因为中泓一点法流速系数和河道流速具有较高的相关性，最大流速越高，其中弘一点法流速系数也相对较高。辽河段的流速系数总体在0.25～0.63，最低的为辽中水文站，福德店水文站的流速系数最高。浑河和太子河河段主要流经辽宁的沈阳、辽阳、本溪等城市段，选取的各比测水文站的中弘一点法流速系数也较高，小林子水文站流速系数最低；辽阳水文站的最高，为0.71。平原区河段水文站中，大河泡站由于坡度较平，最大流速也较低，其流速系数也最低；彰武水文站的流速系数最高，达到0.80。从山丘区中小河流水文站的流速系数介于0.29～0.69，南口前的流速系数最高，东陵水文站流速系数最低。

2.2 智能浮标综合流速系数计算

在不同河段智能浮标中泓一点法流速系数计算基础上，对不同最大流速区间下各河段的智能浮标综合流速系数进行计算，结果见表2。

表2 智能浮标中泓一点法综合流速系数表

从智能浮标中泓一点法综合流速系数可看出，辽河、浑河、太子河不同最大流速下的流速系数不同，当最大流速为0.5～1.0m/s时，浑河段流速系数最高，达到0.81，且平原区中小河流明显高于山丘区中小河流的流速系数。当最大流速为1.0～2.0m/s时，各河段流速系数较为接近。当最大流速高于2.0m/s时，辽河段的流速系数最低，浑河和太子河河段流速系数相同，除最大流速为1.5～2.0m/s，平原区中小河流流速系数总体高于山丘区中小河流流速系数。综合流速系数取值可依据超标洪水现场外部条件等各种因素综合上下浮动。

3 结语

(1)文章结合比测分析方法，给出了不同最大流速范围内的辽河、浑河、太子河河段以及平原区和山丘区中小河流的智能浮标中泓一点法综合流速系数，在具体应用时水流出槽漫滩后，建议对其综合流速系数进行削减调整，并依据超标洪水现场外部条件等各种因素综合上下浮动。

(2)智能浮标可通过SIM卡将测得的数据实时传输到系统平台，现场工作人员和非现场工作人员可以同时看到测报成果，提高了极端天气和超标洪水测报的数据获取的便捷程度。

(3)对于水势较陡的山区河流高洪应急测流情况，由于其流量随机性较强，测验难度和精度也会受到影响，建议多次测量并对流速进行实时比测分析。