茶陵（二）站電波流速儀比測分析報告

張彪

摘 要：電波流速儀是采用雷達多普勒效應測量水面流速。本文通過機械式轉子流速儀實測流量與電波流速儀測算流量進行比較分析，并確定電波流速儀測量成果與常規流速儀測量成果間相關關系及比測系數。

關鍵詞：電波流速儀；轉子式流速儀；茶陵水文站；系數分析

1引言

電波流速儀是利用雷達多普勒效應，電磁波在不同介質表面發生反射時當波源、觀測者、媒質之間發生相對運動時，引起電磁波頻率改變的原理。在滿足施測條件下，它只與媒質（水體）運動速度有關，且只與水體表面水力情況有關，與水中漂浮物無關。電波流速儀在發射雷達波照射水面時，部分能量被水面波散射后反射回來，產生的多普勒相移信息（頻率信息）被儀器的天線接收。信號處理機利用發射信號的水面回波與發射信號的多普勒頻率差來提取速度信息。測量中實際接收到的信號是流速信息真值的分量，經改正后還原成真值。

2分析原理的比較

2.1轉子流速儀流速測量原理

流速儀測量流速的基本原理是通過測得點流速來推算垂線平均流速。茶陵水文站纜道由于沒有拉偏索水位超過95.50m時采用流速儀水面一點法，水面系數為經驗系數0.85；低于95.50m時采用兩點法。

相關表達公式為：

測點流速計算公式：

V=Kn+C

V：點流速，m/s、

K：水力螺距

C：常數

n：流速儀轉速

垂線平均流速計算公式：

一點法：V=αV0.0 二點法：V=（V0.2+V0.8）/2

V：平均流速

V0.0、V0.2、V0.8相對水深處流速流速

α：水面系數0.85（系經驗系數）

2.2電波流速儀流速測量原理

原理：靜止的激光光源發射的激光照射到隨流體運動的粒子上時，粒子將接收到的光波向外散射，散射光頻率與激光光波頻率之差與粒子運動速度成正比。這個差值就叫多普勒頻移。測量這個頻差就可知運動粒子的速度，即流速。

主要技術指標：

雷達頻率：24GHz

數據采集時間：5～240s

測量間隔時間設定范圍：5s～8h

雷達波束角：12°

雷達水平角度調整范圍：30～60°（自動補償）

雷達探頭距離水面距離：0.5m～30m

流速測量范圍：0.15～15m/s

工作溫度：-30°～+60°

野外防護等級：IP68

3茶陵站基本情況介紹

茶陵（二）站位于湖南省茶陵縣思聰鄉紅橋村，東經113°32′，北緯26°48′。2011年1月1日設立。國家一類精度站，集水面積4347km2。上游茶陵、炎陵兩縣絕大部分為森林區，覆蓋較好，上、下游河段順直長約380m，斷面呈“U”型，縱向向下游擴散，河床左岸為自然山腳，右岸為砂、粘土，河床由砂卵石、石板組成，基本穩定，大洪水時稍有沖淤變化。由于測站控制良好，該站從建站以來，都是采用臨時曲線法定線推流，水位在97.50M以上且漲落急劇時，采用連時序法定線推流。

4比測方法

比測采用電波流速儀與常用流速儀同時間、同垂線、同測點、同歷時進行。電波流速儀實測最高水位100.43m，最低水位94.31m，占該站水位變幅的75.6%。電波流速儀與常規流速儀同步測流次數：2013年35次，2014年5次，共40次（詳見茶陵（二）站同步流量比測成果表）。需要指出的是：由于右岸漫灘，當水位在97.1m以上時，右岸不同級水位有起點距45m、33m處因流速太小，電波流速儀無法測出流速。根據常規流量計算，這部分流量約占斷面流量的0.3%-0.8%之間，影響甚微，故在電波儀流量計算中這一部分做死水處理。其測速垂線也未參加統計。

5電波流速儀流量與常規流速儀流量系數分析

1、5.1系數分析

為準確反映電波儀與常規儀間流量的相互關系，描述相關關系方向與密切程度，選取95.0m以上、96.0m以上和97.0m以上三種不同水位級實測流量與電波儀流量，分別對其系數進行分析。

（1）、95.0m以上相關系數分析

選用95.0m以上實測電波儀流量與常規流量同步資料，采用EXCEL相關分析方法，建立直線方程，見圖和表：

（2）96.0m以上相關系數分析

選用96.0m以上實測電波儀流量與常規流量同步資料，采用EXCEL相關分析方法，建立直線方程，見圖和表：

（3）97.0m以上相關系數分析

選用97.0m以上實測電波儀流量與常規流量同步資料，采用EXCEL相關分析方法，建立直線方程，見圖和表：

5.2分析結論

根據EXCEL相關分析方法，Pearson相關系數為兩變量間線性相關關系密切程度和方向，其中∣r∣≤1，∣r∣越接近1，線性關系越密切；∣r∣=1，為完全相關，∣r∣=0則表明兩變量間無線性相關；a為直線在y軸上的截距；本分析截距取零，b為回歸系數，即直線的斜率。

從以上3個表圖可知，當水位級95.0m、96.0m和97.0m以上時，流速儀流量與電波儀流量線性相關關系密切程度均很高，相關系數都達0.99以上。回歸系數均為0.86（其中截距為0），這與現行測驗規范中經驗系數（或浮標系數）基本相近，電波流速儀實測流量隨著水位級不斷增高，與常規法實測流量關系越好。

6結語

通過對茶陵（二）站電波流速儀實測流量與常規流速儀實測流量相關分析，發現該站水位在95.0m以下同步常規流量與電波流速儀流量資料比值在0.20～0.56間，沒有規律可循，其原因主要是95m以下水位低、流速小、大部分垂線水面流速小于0.2m以下，已接近和超出該儀器最小測速范圍，因此，水位在95.0以下電波流速儀測量誤差較大，不能滿足測驗要求。而水位在水位95.0m以上時，電波流速儀流量流量與常規流速儀流量系數均為0.86，電波流速儀流量與常規流速儀流量之間有良好相關關系，電波流速儀可以在95.0m-97.0m之間轉子流速儀實測沒有困難的時候，用轉子流速儀法交和電波流速儀叉使用以檢驗電波流速儀的可靠性。當水位達到了97.0m以上時，電波流速儀測量與轉子流速儀關系很好，可以直接采用電波流速儀法測量。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家標準.GB50179-2015 河流流量測驗規范.北京：中國計劃出版社，2007.

[2] 電波流速儀使用手冊.黃河水利委員會.

（作者單位：株洲水文水資源勘測局）