1 問題的提出

近幾年，國家對中小河流、渠道的水文監測需求不斷提高，很多中小河流開始逐步建立水情測報係統。然而由於中小河流水文站分布廣、地域寬、站點多，特別是山溪性河流匯流速度快，洪水陡漲陡落等特點[1] ，以及很多河流、渠道存在間歇性斷流的情況，而現有的傳統水文測驗方式已很難滿足水文自動化、信息化等的要求。隨著社會經濟的發展，各類水文自動測報係統已經在不同地域和環境中得到應用，傳感器設備也由早期的簡單、單一型發展為數字、智能型[2] 。雷達流速儀和雷達水位計就是近幾年從國外引進的水文測量設備。雷達類測量設備技術成熟，安裝方便，測量精度高，采用非接觸式的測量方法不受環境、地理的限製，因此被許多的水情自動測報係統所采用[3 - 4] 。本文根據流量測量和信息化係統基本原理，設計了一套適用於中小河流、渠道等在線流量監測的雷達流量站係統。

2 係統設計

2.1 總體設計

雷達流量站在線監測係統主要由監控中心、雷達流量站、傳輸網絡等組成。其中軟件平台和數據接收軟件安裝在監控中心服務器中，所有數據被接收軟件接收後保存在數據庫中，為了保證數據安全加裝了防火牆；雷達流量站安裝於河流、渠道現場，主要包括雷達流速儀、雷達水位計和遙測終端等設備，遙測終端采集到流速、水位數據後通過運營商網絡傳輸至監控中心；采用運營商網絡作為傳輸網絡可以保證數據傳輸的穩定性和安全性，使用方便、費用低[5 - 6] 。流量在線監測係統總體結構見圖 1。

2.2 雷達流量站

雷達流量站由供電電源和儀器設備 2 部分組成，雷達流量站結構見圖 2。係統支持太陽能電池和市電作為供電電源，在無市電的野外環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，可以有效防止臨時斷電時係統無電的情況，保證係統穩定運行。儀器設備主要包括遙測終端、雷達流速儀、雷達水位計和無線通信模塊等，遙測終端通過RS485轉換模塊與雷達流速儀、雷達水位計相連，采集到的各項數據通過 GPRS/CDMA 無線通信模塊實時傳輸至監控中心服務器中。

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的語潤 YR - 3000 型設備，該設備不僅能將數據自動上報至省水文局數據平台，還配備了液晶顯示模塊，可以在雷達流量站現場實時查詢流速和水位數據。語潤 YR - 3000 主要功能見表 1。

3.2 雷達流速儀

雷達測速儀選用 Sommer RG 30 非接觸雷達流量監測遙測係統產品。非接觸式雷達測流係統具有土建簡單，測量範圍廣，便於隨時維護，少受水毀影響，不受汙水腐蝕，不受泥沙影響等特點，能保障設備穩定、安全運行。RG - 30 具體性能指標見表 2。雷達流速儀 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%），完全可以滿足實際渠道流量測量的需求。

3.3 雷達水位計

雷達水位計采用德國進口的型號為 VEGAPULS WL61 設備，是測量水和汙水物位的理想設備，特別適合用於水處理過程、泵站、以及溢出池、開放式水槽的流量測量和監控。VEGAPULS WL61 經濟實用、安裝簡單靈活，采用防水外殼，永久免維護。VEGAPULS WL61 主要性能見表 3。

4 現場測試

雷達流量站在線監測係統設計完成後，在象山縣隔溪張水庫下遊渠道選取合適的斷麵位置進行安裝試驗，雷達流量站實物見圖 3。由於測試渠道寬度較小，因此采用橫跨式支架安裝雷達流速儀和雷達水位計，以保證設備穩定、安全。遙測終端、充放電控製器和蓄電池等設備安裝於落地櫃中。雷達流量站設備安裝過程中應注意渠道兩邊的混凝土基礎必須保持水平，安裝雷達流量計時保持發射麵處於上遊方向，並與水麵成 45°，安裝雷達水位計時保持發射麵與水麵平行，雷達探頭距離水麵距離範圍可達 0.5 m 到 30.0 m。

該雷達流量站點處於野外，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，固定於落地櫃頂板上方，以保證接收充足的太陽光照。係統運行於低功耗模式，每隔 5 min 采集 1 次流速、水位數據，並通過GPRS 無線網絡實時上報至監控中心保存、處理，數據采集傳輸完成後立即進入休眠模式。

數據上傳後保存在浙江省水文局數據平台中，通過客戶端軟件讀取數據並計算獲得流量數據，顯示軟件采用Excel 進行編程，安裝於監控中心服務器上，軟件界麵結構簡單、操作方便，具有實時數據、累計數據、流量曲線查看功能。係統根據遙測終端上傳的水位、流速數據和渠道實際斷麵參數計算得到流量數據，軟件界麵中顯示為每5 min 的流量數據。其中數據查詢菜單中可以查看曆史數據，並支持導出功能。

使用水位 — 流速法測量明渠的流量時，按照明渠斷麵流速分布的經驗公式，需先將測流斷麵進行 n 等分，計算出各個分區的流量值，並對它們進行求和，即可得出該明渠斷麵的總流量值。本試驗渠道為標準梯形渠道，根據明渠均勻流的流量進行計算，具體公式為：流量（Q）＝ 平均流速（v）×渠道截麵積（A） （1）根據流速計算的流量數據與根據水位數據計算的流量數據非常接近，驗證該雷達流量站係統的準確性，而且測算結果能夠滿足業主的精度需求。

5 結 語

雷達流量站係統在象山縣隔溪張水庫下遊渠道安裝後，實現水庫對渠道水位和流量的實時、在線監控，數據經過專業率定，準確度高，可以為水庫管理人員的決策提供數據支撐。雷達流量站安裝方便，基本免維護，可以有效解決水利工程經常處於野外山區，而且麵臨間斷性供水、岸邊不易建井且地勢複雜等情況，具有良好的推廣價值。