福海水文站電波流速儀系數的分析與探討

鐘 超

（新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500）

0 前言

由南京船舶雷達研究所和南京水利水文自動化研究所一同研發的電波流速儀具有感應距離遠，測量時與水面無接觸因而免受水情、含沙量、漂浮物及雜草等影響的優勢，對于水文情勢復雜、水流湍急、含沙量大、漂浮物多的特殊流域流速測量較為適用。

近年來，福海站多次水面流速比測試驗結果表明，電波流速儀性能的穩定性和流速測速的準確性等方面均能滿足生產所需，當前已經投入使用。然而在實際應用過程中，筆者發現，電波流速儀系數采用浮標系數將對其測速精度產生不利影響，為提高測速精度，本文以福海水文站為例，對電波流速儀的比測原理及實際應用進行計算和分析。

1 電波流速儀的應用

1.1 電波流速儀測流原理

電波流速儀包括探測器、數據處理器及電源等部分，其基本構成見圖1，電波流速儀測流主要依據雷達多普勒原理，通過連續波雷達獲取并收集回波相位信息，也就是通過所發射信號的水面回波和基礎信號的多普勒頻率之差獲取流速信息。

圖1 電波流速儀基本構成簡圖

雷達照射水面的同時發出電磁波，部分電磁波經水面發射后形成回波，在水體流動的狀態下，所接收到的信號頻率必將與發射頻率存在偏移[1]，結合具體的偏移量以及多普勒頻率方程，便可進行施測位置水面流速的計算，公式如下：

式中：fd為多普勒頻率，Hz；f0為發射頻率，Hz；f1為回波頻率，Hz；v0.0為水面流速，m/s；c 為電波的傳播速度，m/s，取c=3×108m/s；θ 為發射波和水流方向所形成的夾角，°。

電波流速儀屬于水面流速儀，其僅能對水面流速實施測驗，為進行流量測驗，還必須通過確定水面流速系數將實際測量的流速轉換為垂線平均流速，進而求得斷面流量，也可以通過確定電波流速儀系數進而將其所測得的虛流量轉化為斷面流量實際值。

1.2 電波流速儀的應用

2013 年～2017 年汛期，新疆水文局組織專人在福海水文站對電波流速儀性能的穩定程度和測速的準確程度與LS25-1型螺旋槳式流速儀測流系數進行比測試驗，分析成果統計情況見表1 和圖2。

表1 電波流速儀性能穩定性和測速準確性比測試驗誤差統計

圖2 V 電波～V 旋漿相關關系圖

由表1 和圖2 可知，電波流速儀測流性能穩定，流速測驗結果準確性高，對于水情復雜、水流湍急、含沙量大、漂浮物多、普通轉子式流速儀無法入水施測等特殊情況下的流量測驗較為適用，然而由于缺乏前期電波流速儀與LS25-1 型螺旋槳式流速儀測流系數的比測試驗，所以在電波流速儀具體的應用過程中，必須以浮標系數為電波流速儀系數，這必將影響電波流速儀測流精度[2]。

2 水面流速系數與電波流速儀系數及對比分析

2.1 水面流速系數分析

2.1.1 水面流速系數和浮標系數

（1）水面流速系數

為了提高測驗精度，必須進行斷面流速分布規律的深入分析，而斷面各點的流速因為受到斷面形狀、糙率、冰凍、河流彎曲態勢、水深、風速等因素的影響而并不相同，其沿河流水平和垂直方向呈現一定的分布規律，分析并掌握這種分布規律對于提升斷面流量測驗的準確程度意義重大。

垂線流速均值與垂線水面流速之比構成水面流速系數，其大小主要受垂線流速分布規律的影響，根據水面流速系數的大小便可確定出垂線流速的均值。水面流速系數按下式計算：

式中：K1為水面流速系數；v(y)為相對水深為y 時所對應的點流速，m/s；y 為相對水深，m；vm為垂線流速均值，m/s。

（2）浮標系數

斷面實際流量和浮標虛流量之比則為浮標系數，運用浮標法測流的過程中，浮標系數的取值與測流結果的精確度直接相關。浮標系數作為綜合性系數主要受風向、風力、浮標型式、材料、下水深度、水流情況、流域斷面型式、河床糙率等因素的綜合影響，結合實踐經驗和測流理論，常用的浮標系數的計算公式為：

式中：Kf為浮標系數為水面流速系數均值；A 為浮標阻力分布系數為斷面空氣阻力系數均值。

通過比較可知，水面流速系數和浮標系數雖然存在某些聯系，但是概念和量值完全不同，如果電波流速儀測速及斷面流量計算過程中以浮標系數作為水面流速系數，則必將影響測驗精度。

2.1.2 經驗相關法

在福海水文站2013 年以來的精測法資料中摘錄五點法測速的垂線，并求各個測點實際流速和垂線流速均值之比，進而繪制相對水深、測點實際流速和垂線流速均值之比的關系圖，經分析，福海水文站垂線流速分布和卡拉烏舍夫流速分布模式相似[3]，具體見圖3。

圖3 福海水文站多年綜合垂線流速分布情況

由圖3 可知，福海水文站相對水深分別為0.0 m、0.2 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m 時，測點實際流速和垂線流速均值之比分別為1.158、1.121、0.979、0.867、0.718，通過式（3）便可進行福海水文站水面流速系數的計算：

2.1.3 經驗公式法

由于福海水文站垂線流速分布規律和卡拉烏舍夫流速分布模式相似，所以根據卡拉烏舍夫流速公式進行福海水文站垂線流速分布規律的計算，即：

式中：v 為點流速，m/s；P 為流速分布參數，取P=0.6，相當于謝才系數C=40～60。

由上式按積分法進行福海水文站垂線流速均值的計算：

2.2 電波流速儀系數分析

2.2.1 電波流速儀系數試驗

從2013 年開始進行福海水文站電波流速儀系數試驗開始至今共進行流量比測試驗15 次，水位變幅6.98 m～8.84 m，流量變化50 m3/s～130 m3/s。電波流速儀系數試驗的具體步驟如下：在1#和2#吊箱位置安裝電波流速儀，并設定固定水平角為0°、固定俯角為30°，并使電波流速儀和LS25-1 型旋漿式流速儀同步施測；運用電波流速儀和LS25-1 型旋漿式流速儀的測驗成果進行斷面流量和電波流速儀虛流量的計算，根據所計算出的斷面流量和電波流速儀虛流量，進行此次比測試驗電波流速儀系數的計算。

為增強電波流速儀系數試驗結果的代表性，在不同天氣和水情下進行了五點法、三點法、兩點法和一點法的LS25-1 型旋漿式流速儀測法和電波流速儀在不同測速歷時條件下的比測試驗，比測結果見表2。

表2 電波流速儀系數試驗成果

2.2.2 電波流速儀系數分析

由上述電波流速儀系數試驗成果可知，在全部比測試驗中，電波流速儀系數最大值為0.85，最小值為0.76，電波流速儀系數均值為0.82，通過所得到的電波流速儀系數均值和虛流量施測值，就能計算出斷面流量。以LS25-1 型旋漿式流速儀斷面流量值為真值，進行電波流速儀施測流量誤差、標準差及不確定程度的計算，同時進行誤差分析（結果見表3），可得系統誤差為-0.06%，標準差相對值為5.01%，不確定度為9.87%。

表3 電波流速儀測流誤差計算

2.3 水面流速系數與電波流速儀系數的對比分析

福海水文站水面流速系數、電波流速系數和浮標系數的對比情況詳見表4，通過對比發現，電波流速儀系數和水面流速系數不等，引起這種差異的原因主要是：電波流速儀于吊箱之上進行施測，固定俯角為30°，而吊箱主纜存在一定的垂度，所以同次施測的電波流速儀的水面測點并非位于同一斷面，而是位于同一拋物線上；電波流速儀測流過程中，測流斷面并不相同，實際上測流斷面很難施測，計算的是其虛流量，為此必須借助旋漿式流速儀施測斷面進行對比分析，電波流速儀測量的是波浪運動速度，而旋漿式流速儀的量的是水下一定深度的點流速，兩者并不會完全相同，進而產生誤差[4]。可見，電波流速儀系數是電波流速儀測流斷面和旋漿式流速儀測流斷面的流速系數的綜合，取值并不是固定不變的。

表4 福海水文站水面流速系數、電波流速系數和浮標系數對比

此外，電波流速儀系數也不等同于浮標系數，如果電波流速儀系數采用浮標系數，則獲得的測流成果值偏小，進而影響電波流速儀測流精度。福海水文站水面流速系數大于浮標系數，與理論結果相反，浮標系數為0.82，而經驗相關法所得水面流速系數為0.864，經驗公式法所得水面流速系數0.897，這種與理論結果偏差的原因有待進一步探討。

3 結論

根據本文所進行的電波流速儀系數比測試驗結果可知，福海水文站電波流速儀系數0.82，而且系統誤差為-0.06%，標準差相對值為5.01%，不確定度為9.87%，完全可以用于該水文站今后的測流試驗，也為其他電波流速儀測流的水文站提供參考借鑒。為了進一步提高電波流速儀測流精度，必須確保儀器工作溫度范圍在0～40℃，測量過程中適當調整電波流速儀的施測俯角，以確保儀器測速的穩定性；平水期水流流速較小且含沙量較大，電波流速儀所測流速往往低于正常值，故應進行測流結果的修正，洪水期水流流速大，同一測點多次測量結果可能差異較大，為此必須增加測次，剔除異常值，以其均值作為測點的流速值。