電波流速儀在黃河水文監測中的運用

劉中利　陳學虞　陳若楠

摘 要：黃河的安瀾備受歷朝歷代統治者的重視，作為監管黃河的主要方式和手段，水文監測的作用極其重要。黃河流域已然建成了覆蓋整個黃河大部分河流以及區域、布局非常合理的水文監測站網格體系，為黃河的安全和黃河沿線的穩定發展起到了重要作用。近些年來，電波流速儀在水文監測中的使用越來越多，該文進行了電波流速儀的測量試驗，與傳統的試驗方法相比，不受流量計、含沙量高等影響，特別適合于測定區域水流特性，電波流速儀在惡劣的天氣仍能使用。

關鍵詞：電波流速儀 黃河 水文監測

中圖分類號：P64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0140-02

“黃河安寧，天下太平”，黃河的安瀾備受歷朝歷代統治者的重視，作為監管黃河的主要方式和手段，水文監測的作用極其重要。水文監測技術已經漸漸的從以人力為主轉向以先進的設備為主、數值化分析；漸漸地從孤立的節點檢查轉向連續的、智能的在線監測；漸漸地從接觸式轉向以高級的儀器為依托的非接觸式，漸漸地從在水文站駐測轉向駐測巡測科學的結合。

水流的流量是水文監測的眾多數據中最重要的一個，長期以來我國各大水文站都采用懸漿式的流速儀進行實驗。對于水流急、含沙量大、水中不明物質多的黃河，傳統測量實驗儀器很難下水，浮標很難精確地放置，甚至特殊情況下測試工作人員還會有危險。而先進的電波流速儀的測量具有遙控距離遠、不直接接觸等特點，使用它可以便利地獲取水面的流速，再通過查閱所在區域的流速系數，經過科學的計算，就可得到黃河河流流量的數據。這種儀器的測量不受含沙量、水中雜質的影響，操作方便安全、獲取數據簡單。

1 測量原理及技術指標

1.1 測量原理

電波流速儀是利用物理學中的多普勒效應制成的，當波動源、電波流速儀、媒質之間發生相對的運動的時候，儀器釋放的電磁波在不同流速的表面發生反饋反射，從而導致接收到的電磁波的頻率顯著的改變。在滿足實驗條件下，電磁波只與河流中水流的速度相關，并且只與河流表面的情況有關，與水中漂浮物、泥沙等沒有關系。

采用電波流速儀進行測速使用的時候，波源與測量點相對位置不發生改變，河流中水流相對運動。這會引起反射波頻率的變化（電波流速儀只能利用反射波測數據），反饋數據的大小與河流中水流的相對速度聯系緊密。發射波的頻率和接收到反饋的頻率的差值，就叫多普勒頻率。

采用的電波流速儀的發射波發散在水面上的橢圓區域，橢圓形區域的面積與電磁波發射角等因素相關，所以說，電波流速儀測定的流速是整個橢圓形面積的平均流速，這種方法運用的原理與傳統流速儀測量完全不同，傳統流速儀測定的結果反映的是點平均流速。

1.2 主要技術指標

黃河水文監測中使用的電波流速儀是美國德卡托電子公司生產的，其主要技術指標如下。儀器型號為SVR-VP，測速范圍為0.2～14 m/s，最大有效測程為250 m，發射角為13°，儀器功率為10 MW；電波頻率為26 GHz；使用溫度要求-35 ℃～+60 ℃

2 電波流速儀的黃河水文監測實驗

2.1 測站概況

高村在東明縣城往北大概6 km的位置，與亞洲第一長橋毗鄰——長東黃河鐵路大橋，北邊靠近東明黃河公路大橋，西面臨近黃河大堤，并且與河南省濮陽縣距離很近，是黃河入魯來第一個黃河水文監測站。全村共有耕地179公頃，3 000人。黃河高村站是非常重要的控制站，測驗黃河下游的河段，地處所測河段的末端。斷面距河口距離580.1 km，集水面積723 146 km2。水尺斷面每間隔4 m修建測點。

2.2 比測目的

從2015年5月開始，為了測試電波流速儀在黃河的具體性能，最終得出本站電波流速儀的水面修正系數，將試驗到點定在具有規則的渠道測驗斷面的高村電站渠站進行，歷時三個月的水位的實控實測，共進行電波流速儀測定水面流速系數試驗資料60次。

2.3 前期工作

電波流速儀測定的是水流速度的橫向分布，在試驗現場，根據從起始點的通道斷面流速出發，從該站渠道測橋的起點進行試驗完成測量任務。選擇同一垂直渠道，使用特定的測試方法進行電波流速儀測試，并確保每一次設定的角度相同，設定為25°，平均垂直速度以1 min為間隔進行記錄，根據水位具體情況，讀取距起點1.5 m到7.0 m的速度數據計算垂線的平均流速，參考所測斷面的面積就可以計算出流量。

2.4 電波流速儀在試驗中的方法

在實際的測試過程中，該方法是將電波流速儀設置為沿水程方向，同水道橫截面垂直，順水流方向，水平角度的方向設置為0°（10°的變化不影響測量結果）。在實驗中，除了滿足電波流速儀的角度范圍外，還要考慮電磁流量計相對于儀器設定的相對位置。為了提高測量精度，保證電波流速儀在均勻的斷面測量斷面流速和其他參數。為了保持速度的均勻，測量操作員保持電波流速儀測量垂直速度的角度，因為電波流速儀與表面高度差這些差異是不同的。這些因素在測試過程中是不會考慮，每一個測量角度選擇設置在25°，然后進行測速實驗。

2.5 比測方法

每次使用電波流速儀測速度的時候，電波流速儀用在垂直水流速度方向，保持一定的相對角度，測量斷面與流量計截面重合。從測得的實驗結果可以得出以下論斷：電波流速儀的測量結果和流速儀測流結果橫截面上的分布類似。于兩種試驗結果的流量計算，參考所測斷面的面積，將電波流速儀進行計算，然后將此虛流量與流速儀所測的數值相比（將流速儀流量作為分母）。建立線性關系，進而得出可以滿足測站實際情況的相關系數。

2.6 實驗結論分析

通過隨機不確定性檢驗，比如，符號檢驗、偏離數值檢驗等分析方法，電波流速儀的測量結果可以很好地滿足水文規范要求，并且測的結果的精度可以達到一類精度，所以使用電波流速儀的數據，參考所測斷面的面積就可以計算出流量，并且結果的精度能符合流量測驗要求。

3 結語

電波流速儀在對比試驗過程中，與傳統的試驗方法相比，不受流量計、水情變化、含沙量高和水上浮的影響，特別適合于測定區域水流特性。試驗發現，電波流速儀在狂風暴雨天氣仍能正常使用，但在試驗中，雨雪天氣對信號的反映或有一定的影響，我們建議盡量避免這些特殊的天氣，也可以找到天氣因素小于或更少受影響的地方。利用電波流速儀進行速度測試，若保證測量效果好就必須保證垂直度的相對穩定性、角度應大于45°，同一測量點的測量時間不少于45 s，當在同一測點上測量3次，取其平均值作為測點的速度比測試結果后對測量結果的分析。電波流速儀安全方便的操作，測速快，精度高，流量測量方法比以前使用的浮標更實用。在水文測量監測工作中，可以取代常用的方法，以提高結果的準確性。

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