雷達波流速儀在我省中小河流流量測驗中的應用

◎龐 雷

◆作者系陜西省水文水資源勘測局總工程師

目前，我省河流的流量測驗，基本上是采用修建過河水文纜道，用轉子式流速儀，測得實測流速和水深，再通過流速面積法將流速轉換為流量；高水采用水面浮標法測得水面流速，再借用斷面面積轉換為流量。采用以上方法測流必須征地，進行纜道建設，蓋觀測房，接高、低壓電，且使用人工測流，工作量大，不能實現在線自動測流，投資較大。隨著中小河流的建設，我省將在156條河流上新建74處水文站，90處水位站，并將開展洪水預警預報工作，工作量增加不止一倍以上，而人員沒有增加。中小河流水文非工程項目的建設，主要解決的是為防汛服務，提前預警預報，保護人民生命財產安全，為政府部門提供防汛決策依據。隨著科技的迅猛發展以及中小河流非工程項目建設的要求，為減少洪水對國家和人民生命財產造成的損失，這就要求必須采用先進的測驗儀器，在最短的時間內，用最少的人力能夠測得準、報得出。雷達波流速儀的應用使得流量測驗可以滿足以上要求。

1 雷達波流速儀介紹

雷達波流速儀測流現已寫入河流流量測驗規范。現國際、國內應用的雷達波流速儀有以下幾種形式。

1.1 固定單、多探頭雷達波流速儀測流系統（如圖 1）

圖1 固定單、多探頭雷達波流速儀

此測流系統適用于斷面基本穩定，有較好的水位流量關系或斷面上游有橋的測站。

該測流系統由單個或多個雷達波測流探頭用電纜線相連，布設在測驗河道斷面一點（能代表斷面平均流速處）或多點，由太陽能電池、RTU（數據信號處理器）、防雷設備等，通過有線或無線傳輸將測得的水面流速傳到測站和分中心，測站和分中心將提前測得的斷面和水位資料通過專門提供的計算軟件計算為斷面流量。

1.2 移動式雷達波流速儀測流系統（如圖2）

此測流系統適用于測站已建有纜道，利用現有纜道設備，以非接觸方式，測量河流斷面每條垂線水面流速，以有線或無線的方式傳回測站或分中心，根據斷面和水位資料，通過配套測流軟件，計算出流量。

圖2 移動式雷達波流速儀

1.3 無線遙控雷達波流速儀測流系統（如圖3）

圖3 無線遙控雷達波流速儀

此測流系統適用于測流斷面變化較大，又沒有現成的水文纜道，測流斷面上游又沒有橋梁的河流。

無線遙控雷達波流速儀測流系統是將雷達波流速儀固定懸掛在配套直徑4.2mm的簡易鋼絲繩纜道上，利用無線遙控、配套定位和測流軟件，通過在電腦上遠程操作，以非接觸方式進行測驗和計算水面流速、斷面流量。

1.4 手持雷達波流速儀（如圖4）

圖4 手持雷達波流速儀

此測流方式適用于斷面較窄，有橋，橋距水面較低的河道。

測流方式同上，但此方式實現不了自動在線和遠傳的功能。

2 雷達波流速儀和傳統測流的優缺點

2.1 優點

2.1.1 投資小

對新設站，不需征地、不需解決供電、蓋房等。

2.1.2 安全可靠

儀器以非接觸方式進行測驗，無需人員在水中和雨中操作。

2.1.3 可實現在線測流

可實現水面流速數據的自動采集、存儲和遠傳，結合配套軟件、水位、斷面資料自動生成斷面流量。

2.1.4 測得水面流速精度較高

雷達波流速儀每秒可采集4組測點水面流速信號，如設定該測點測速歷時為20s，該測點在20s內可測得80組流速信號，測流軟件會自動去除10%的最大、最小數據，其余數據進行平均，可消除波浪等不利影響，提高測驗精度。

2.1.5 測速范圍寬

測速范偉達0.2m/s～18m/s。

2.1.6 維修方便

雷達波流速儀體積小，攜帶方便，太陽能電池可應用5年。

2.2 缺點

2.2.1 需進行比測

由于雷達波流速儀測得的是水面流速，必須進行比測實驗，以確定該河流水面流速與斷面平均流速的關系。

2.2.2 需增加斷面測量次數

由于雷達波流速儀測得的是水面流速，沒有實測水深，斷面資料是借用，因此，為了保證資料精度，必須增加斷面測量次數。

3 雷達波流速儀在我省升仙村站的比測分析

3.1 升仙村水文站基本情況

升仙村水文站控制流域面積2143km2，距河口距離24km，是湑水河上的控制站。該站測驗斷面河寬176m，中泓位置大致在60m～80m，河道斷面基本穩定。

表1 雷達波流速儀與實測流量誤差分析計算表

該站在原斷面建有流量測驗纜道一套，為1980年修建電動纜道，流量測驗采用過壩（湑惠渠大壩）流量與壩上水位率定的水位流量關系推算。2011年，升仙村水文站進行測驗設施改造，引進了先進的雷達水位計和雷達流量計，根據測站所處的地理位置、地質情況，以及河道特性、水流條件、水位變幅、岸坡形式等，選擇在主索行車架上建設安裝測流支架，配備高頻雷達流量計測流系統，并固定起點距60m處進行測流。

3.2 升仙村站雷達波流速儀對比分析

2012年7月2日～9日升仙村水文站連續出現兩次洪水過程，第一次為2日～5日，最大流量為817m3/s；第二次為7日～10日，該站出現了最大流量917m3//s的洪水過程。開展了雷達流量計測流與過壩流量的對比觀測，每3分鐘取得一個流速數據，每6分鐘計算一次流量，共計46次對比試驗數據見表1。

3.3 流量系數的確定

按照表1中的數據，將雷達流量計實測虛流量與對應的過壩流量進行相關分析計算，相關關系見圖5。經計算其相關系數為0.9975，回歸方程為：

式中：Q壩——為過壩流量（m3/s）；

Q虛——為雷達流量計實測虛流量（m3/s）。

K——為流量系數，固定一點法時為表面流代表流速與斷面平均流速換算系數。

經過相關計算，確定固定位置表面流代表流速與斷面平均流速換算系數K=0.782。

3.4 誤差分析

從表1中可以看出，最大相對誤差在10.3%，75%的比測測次誤差在5%左右，95%的測次誤差在8%左右，系統誤差（累計頻率為50%）為0.34%。根據中華人民共和國《河流流量測驗規范》(GB50179-93)，二類精度測站水文纜道法測流比測允許誤差規定為系統誤差不超過-2%～1%，中低水位的隨機不確定度（置信水平為95%）不超過7%～10%；均勻浮標法單次流量測驗允許誤差為11%。按此規定標準，升仙村站雷達流量計測驗誤差基本達到水文纜道測流允許誤差，達到均勻浮標法流量測驗誤差標準。

圖5 雷達波流量計實測虛流量與過壩流量相關圖

4 影響雷達波流速儀測流的因素和解決方法

4.1 風向風速的影響和解決方法

雷達波流速儀測量水面流速時，儀器本身測得的數據沒有問題，但水面如果受風的影響，順風水面流速會偏大，逆風水面流速會偏小。這就要求在成果資料整理上，觀測風向、風速，進行處理。

4.2 測流角度的影響和解決方法

由于雷達波流速儀發射的是雷達波，探頭俯角越大，與水面接觸面越小，回波信號越弱。正常情況下建議探頭俯角為40°~45°。

4.3 測流歷時的影響

由于流速越大每秒測得的數據越多，流速越小，測得的數據越少。建議在低流速時，應增長測速歷時，大于60s。

4.4 儀器高度的影響

由于電池功率和發射功率的原因，距離越近，回波信號越強，距離越遠回波信號越弱。建議正常情況下儀器高度不能超過30m，低流速時探頭越低越好。

5 結語

雷達波流速儀的引進和應用，解決了傳統水文纜道使用轉子式流速儀和ADCP在高流速、波浪大無法入水，有漂浮物和水草纏繞儀器不能測驗、不安全等問題。此測流系統采用非接觸測流，安全可靠、投資少、經濟適用、施工和安裝簡便，尤其是可以實現在線自動測流，通過無線等方式將測流結果發回測站和分中心，在最短時間內能夠測得準、報得出，為防汛決策提供可靠依據，可以成為中小河流流量測驗的主要儀器。