電波流速儀在南康水文站流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

林國鴻，劉惠雯，羅祚珍，曾秀華

（廣西沿海水文中心合浦水文中心站，廣西 北海 536000）

流量測(cè)驗(yàn)的目的是要取得天然河流以及受水利工程影響河道的各種徑流資料，掌握全河水量的時(shí)空分布情況，為流域水利規(guī)劃、防汛抗旱、水利工程管理運(yùn)用和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供可靠的依據(jù)。本文介紹的電波流速儀是利用雷達(dá)多普勒效應(yīng)，用無接觸的方式測(cè)量水面流速的一種新型儀器，并通過對(duì)水面系數(shù)的換算達(dá)到測(cè)量河流流量的目的。

1 電波流速儀的工作原理、應(yīng)用條件和技術(shù)指標(biāo)

1.1 工作原理

SVR 電波流速儀（德卡托）是一種手持式表面測(cè)速雷達(dá)，專為測(cè)量水面速度而設(shè)計(jì)，特別適合溪流及河流速度測(cè)量。

電波流速儀發(fā)出一個(gè)微波能量束（無線電波），當(dāng)這個(gè)波的能量撞擊水面時(shí)，波能量的一小部分返回到雷達(dá)設(shè)備天線，返回信號(hào)的頻率變化與目標(biāo)速度成比例（多普勒效應(yīng)，最小流速0.3 m/s），根據(jù)發(fā)射和返回信號(hào)頻率的不同，測(cè)定水面流速，如圖1。參照均勻浮標(biāo)法，測(cè)定多條垂線的水面流速，按照流速面積法計(jì)算斷面虛流量，乘以斷面平均水面流速系數(shù)，得到斷面流量。

1.2 應(yīng)用條件

測(cè)量時(shí)俯角（見圖2）不要大于45°，水平角不大于60°，由于內(nèi)部?jī)A斜傳感器很靈敏，測(cè)量過程應(yīng)保持電波流速儀姿態(tài)穩(wěn)定、不震動(dòng)，盡可能接近水面，精度會(huì)更高（因?yàn)殡姴魉賰x接收返回信號(hào)的強(qiáng)弱，和探頭、水面距離以及波浪大小有直接關(guān)系）。

圖1 電波流速儀測(cè)速示意圖

圖2 俯角定義示意圖

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)為：①測(cè)量范圍：0.2～18 m/s；②測(cè)量精度：0.1 m/s；③發(fā)射角：12°；④環(huán)境溫度：-30～+70℃；⑤電波頻率：34.7 GHz；⑥功率：50 mW。

2 電波流速儀在南康水文站的應(yīng)用

2.1 測(cè)站概況

南康水文站設(shè)立于 1980年 1月，1993年 7月～2015年5月停測(cè)，2015年6月重建恢復(fù)測(cè)驗(yàn)，位于廣西北海市鐵山港區(qū)南康鎮(zhèn)南康社區(qū)沙塘嶺，是南康江唯一的控制水文站，屬小河水文站。干流長度15.8 km，集水面積44.2 km2，干流平均比降2.06‰。斷面河槽形狀為復(fù)式，測(cè)驗(yàn)河段為沙質(zhì)河床。

南康江流域?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候區(qū)，日照充足，雨量充沛，每年的洪水主要發(fā)生在5～9月，特別是7～8月，受熱帶氣旋、靜止鋒、切變線、低渦、高空輻合等天氣影響，暴雨洪水頻繁、強(qiáng)度大。流域匯流面積小、流程短，洪水屬暴漲暴落型。

2.2 電波流速儀流量測(cè)驗(yàn)方法

根據(jù)電波流速儀工作原理，電波流速儀特別適合有橋梁的暴漲暴落的中小河流的流量測(cè)驗(yàn)。本文介紹的電波流速儀流量測(cè)驗(yàn)方法為橋測(cè)法。

2.2.1 確定測(cè)流斷面

鑒于南康水文站沒有纜道，下游62 m處建有南康公路橋，橋面水平，經(jīng)綜合分析，流速儀測(cè)流斷面布設(shè)在南康公路橋下7 m（基下69 m）處，斷面左、右岸都已建成標(biāo)準(zhǔn)河堤，其斷面形狀如圖3。

圖3 南康水文站流速儀測(cè)流斷面圖

表1 南康水文站電波流速儀測(cè)速垂線布設(shè)情況表

2.2.2 確定電波流速儀測(cè)速垂線數(shù)

根據(jù)橋梁和河段河寬情況，電波流速儀斷面共設(shè)置 8 條垂線，分別為 4.0、7.0、14.0、19.0、25.0、29.0、34.0、38.0 m，電波流速儀測(cè)速垂線布設(shè)情況見表1。

2.2.3 流量測(cè)驗(yàn)

（1）流速測(cè)量。到達(dá)測(cè)流橋上標(biāo)識(shí)的固定位置，將電波流速儀安裝在三腳架上，量取儀器高，填寫電波流速儀安裝參數(shù)記載表，根據(jù)水平方位角、俯角調(diào)整儀器姿態(tài)，將電波流速儀探頭瞄準(zhǔn)到測(cè)流斷面垂線上。當(dāng)顯示的讀數(shù)穩(wěn)定，可認(rèn)為是水流表面速度。根據(jù)南康江不同的水位級(jí)，一般施測(cè)4～6條垂線。

（2）流量計(jì)算與檢查。流量計(jì)算方法與流速儀類同，采用流速面積法計(jì)算斷面虛流量。測(cè)流完成后，應(yīng)對(duì)流量測(cè)驗(yàn)成果表進(jìn)行檢查，根據(jù)流速曲線分布圖和斷面圖分析流速合理性。特別是對(duì)已測(cè)流速與實(shí)際流速不符要重測(cè)檢驗(yàn)。對(duì)于中小河流，中泓流速應(yīng)該最大；如果邊上流速比中泓大，這個(gè)數(shù)值需要重測(cè)驗(yàn)證；河寬較寬的河流，流態(tài)會(huì)復(fù)雜一些。

3 電波流速儀法比測(cè)分析

3.1 比測(cè)試驗(yàn)情況

南康水文站是專用站，洪水屬暴漲暴落型，無測(cè)流纜道設(shè)施，人力不足造成ADCP測(cè)流不便，這就需要用其他更便捷的測(cè)驗(yàn)手段。南康水文站流量測(cè)驗(yàn)按照《北海市水文水資源測(cè)報(bào)中心測(cè)報(bào)方案（試行）》要求，全年在流速儀測(cè)流斷面（基下69 m）處進(jìn)行，采用走航式ADCP 和電波流速儀在同一斷面進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

南康站2017年6月起開展SVR流量～ADCP流量關(guān)系的比測(cè)率定工作，由于洪水場(chǎng)次偏少，2017年 7月 3日～2019年 8月 19日共收集了 10 份比測(cè)資料，實(shí)測(cè)流量變幅為10.3～61.7 m3/s，相應(yīng)水位變幅8.17～10.22 m（中水8.0～9.5 m，高水≥9.5 m）。

3.2 比測(cè)結(jié)果

SVR 電波流速儀測(cè)量的是單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過某一個(gè)斷面的水面流量，即SVR 流量，并非水道斷面流量，因此需建立斷面流量與指標(biāo)流量的關(guān)系，以斷面虛流量QSVR和斷面流量Qadc（p走航式ADCP 實(shí)測(cè)）進(jìn)行回歸分析。根據(jù)收集的比測(cè)資料，繪制關(guān)系線（見圖4），經(jīng)計(jì)算機(jī)線性函數(shù)回歸分析并定線，建立了虛流量與斷面流量關(guān)系，率定結(jié)果為：Y＝0.6 968×X-5.6 089，其中：Y為ADCP 實(shí)測(cè)流量，即斷面流量，m3/s；X為SVR電波流速儀虛流量，m3/s。

圖4 斷面流量Qadcp和虛流量QSVR相關(guān)關(guān)系圖

通過圖4可示，SVR電波流速儀流量與ADCP實(shí)測(cè)流量之間相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9 933。

3.3 比測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.3.1 數(shù)據(jù)分析

電波流速儀主要用于中高水流量測(cè)驗(yàn)，收集到10 次中高水測(cè)次比測(cè)流量資料，最大比測(cè)流量為61.70 m3/s。通過率定出來的回歸方程推算斷面流量，并計(jì)算相對(duì)誤差，相對(duì)誤差絕對(duì)值最小1.4%，最大11.9%，成果見表2。

表2 SVR電波流速儀推算流量成果表

3.3.2 誤差分析

南康水文站為專用水文站，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）和《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195-2015）水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)要求，單一線法精度指標(biāo)為系統(tǒng)誤差±3%，電波流速儀法隨機(jī)不確定度指標(biāo)為18%。對(duì)ADCP 流量、SVR 流量以及SVR推算流量進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，并計(jì)算系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度（見表3）。結(jié)果顯示，系統(tǒng)誤差為-0.1%，隨機(jī)不確定度為15%，三種檢驗(yàn)合格，誤差滿足精度指標(biāo)要求。

表3 SVR推算流量相關(guān)曲線精度分析表

4 結(jié)論

經(jīng)過率定分析，南康站比測(cè)率定結(jié)果滿足精度要求，其代表性較好，可用于實(shí)際測(cè)流工作中。建議下一階段工作應(yīng)盡可能的收集較多的比測(cè)率定資料，擴(kuò)充樣本容量，增強(qiáng)樣本代表性，并對(duì)率定曲線進(jìn)行重新率定。

電波流速儀應(yīng)用于南康水文站，是ADCP 等先進(jìn)儀器設(shè)備的重要補(bǔ)充方案，在實(shí)際測(cè)量中取得了良好的效果，測(cè)驗(yàn)質(zhì)量滿足水文規(guī)范要求。電波流速儀的成功應(yīng)用，為中小河流開展水文巡測(cè)提供了技術(shù)支撐，同時(shí)說明電波流速儀的推廣應(yīng)用適應(yīng)廣西水文發(fā)展的方向，是替代傳統(tǒng)水文的必要手段。