手持電波流速儀在水文站的應(yīng)用

□楊 芳

（黃山水文水資源局）

1 概述

隨著水文技術(shù)逐步現(xiàn)代化，流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備層出不窮，如ADCP、電波流速儀等，并得到廣泛應(yīng)用。其中電波流速儀是一種非接觸水面式的。利用多普勒原理測(cè)得水面流速的儀器設(shè)備，測(cè)驗(yàn)安全、時(shí)間短，且適用于水情復(fù)雜的水面流速測(cè)驗(yàn)，流速越快，波浪越大，反射信號(hào)就越強(qiáng)，所以更適用于高洪測(cè)驗(yàn)。

針對(duì)手持電波流速儀STALKER Pro II SVR 在屯溪水文站的應(yīng)用，進(jìn)行了比測(cè)分析。屯溪水文站是新安江干流上游的主要控制站，國(guó)家基本水文站。該站屬山區(qū)性河流，河道坡度大，有“四大、兩快、一短”的特征，即：流速大、沖刷力大、含沙量大及破壞力大，洪水過(guò)程漲得快、落得快、歷時(shí)短。確定手持電波流速儀的穩(wěn)定性，率定出其系數(shù)對(duì)該站今后工作的開(kāi)展起到很重要的作用。

2 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 工作原理

電波流速儀是一種利用多普勒原理的測(cè)速儀器，該種儀器采用微波波段的電波，工作時(shí)電波流速儀發(fā)射微波到需要測(cè)速的水面上，再接收水面的反射波，測(cè)出發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的頻率差，即可算出水面流速。計(jì)算公式如下：

式（1）中：fD—發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的頻率差；f0—發(fā)射信號(hào)的頻率；f1—接收信號(hào)的頻率；V—水面流速，m/s；C—電波在空氣中傳播速度，m/s；θ—發(fā)射波與水流方向的夾角，由俯角和方位角合成。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

電波流速儀屏幕可同時(shí)顯示瞬時(shí)流速、平均流速、測(cè)速歷時(shí)、回波強(qiáng)度、流速方向和發(fā)射狀態(tài)。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電波流速儀主要技術(shù)參數(shù)表

3 比測(cè)成果

3.1 比測(cè)情況

2016-2019 年在基本斷面與電波流速儀斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)，電波流速儀斷面在基上95 m 處。比測(cè)時(shí)轉(zhuǎn)子式流速儀或走航式ADCP 在基本斷面測(cè)驗(yàn)，同時(shí)電波流速儀測(cè)驗(yàn)人員上橋，以橋梁標(biāo)志進(jìn)行起點(diǎn)距定位，手持電波流速儀對(duì)準(zhǔn)橋上游斷面進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。

3.2 比測(cè)資料分析

因電波流速儀斷面與基本斷面水流均受橋墩影響，流速橫向分布不能對(duì)應(yīng)，故選擇流量作為研究對(duì)象。以轉(zhuǎn)子式流速儀、走航式ADCP 所測(cè)流量為真值，而電波流速儀流量為虛流量。流速0.70 m/s 以上電波流速儀測(cè)驗(yàn)較為穩(wěn)定，故選擇在中、高水時(shí)進(jìn)行比測(cè)，比測(cè)共實(shí)測(cè)流量31組。

采用算數(shù)平均法分析成果見(jiàn)表2，電波流速儀系數(shù)最大為0.95，最小為0.82，多次平均為0.88。測(cè)流誤差最大為7.25%，系統(tǒng)誤差為0.12%，隨機(jī)不確定度為6.28%。隨機(jī)不確定度、系統(tǒng)誤差均符合GB 50179-2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》比測(cè)要求，基本滿足生產(chǎn)需求。

表2 電波流速儀比測(cè)成果表

點(diǎn)繪電波流速儀-走航式ADCP、電波流速儀-轉(zhuǎn)子式流速儀流量相關(guān)關(guān)系圖（見(jiàn)圖1），得出相關(guān)方程為y = 0.88x，R2=0.99，為顯著相關(guān)。

綜合上述兩種比測(cè)分析方法，確定屯溪站電波流速儀系數(shù)為0.88。由近兩年的使用情況看，用電波流速儀所測(cè)流量乘以該系數(shù)與使用走航式ADCP、轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)得的流量呈一系列，無(wú)系統(tǒng)偏離，故系數(shù)0.88可應(yīng)用于今后的測(cè)流工作中。

4 體會(huì)

電波流速儀因?yàn)槭鞘殖质剑詷O易抖動(dòng)，很難保證每次測(cè)速點(diǎn)的一致性。因此應(yīng)盡量放在三腳架上，或者借助可以固定角度的工具，以便準(zhǔn)確測(cè)到測(cè)速點(diǎn)，消除人為因素影響，確保測(cè)量精度。

兩岸有時(shí)會(huì)有較大脈動(dòng)，為消除影響，可以延長(zhǎng)測(cè)速歷時(shí)，或多測(cè)幾次，經(jīng)分析之后可采用平均值作為相應(yīng)測(cè)點(diǎn)流速。

圖1 電波流速儀水面系數(shù)相關(guān)圖

電波流速儀探頭沾到水后，所測(cè)流速誤差大，所以對(duì)于探頭要做相應(yīng)的防水措施；應(yīng)盡量避免在雨天測(cè)驗(yàn)，因雨滴垂直向下運(yùn)動(dòng)，會(huì)被探頭接收對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。經(jīng)該站多次測(cè)驗(yàn)總結(jié)，雨天測(cè)驗(yàn)結(jié)果均偏大。

電波流速儀低流速信號(hào)差，且受風(fēng)影響大，該站在流速達(dá)到0.70 m/s以上較為穩(wěn)定，更適用于中高水的測(cè)速。

儀器發(fā)射雷達(dá)波有12°的波束角，發(fā)射波呈橢圓狀發(fā)散在水面，其橢圓形區(qū)域大小與測(cè)程、雷達(dá)波發(fā)射角有關(guān)，測(cè)得的水面流速是橢圓形區(qū)域的面平均流速。與轉(zhuǎn)子式流速儀所測(cè)點(diǎn)平均流速，走航式ADCP 所測(cè)斷面流速原理不同，這將產(chǎn)生一定的誤差。

岸邊測(cè)速時(shí)，流速計(jì)算需用到水平角的余弦，為盡量減少因水平角產(chǎn)生的誤差，可在橋上多垂線測(cè)驗(yàn)。而橋下游水流流態(tài)受橋墩擾動(dòng)影響，建議測(cè)驗(yàn)斷面選在橋上游。

5 結(jié)論與建議

手持電波流速儀STALKER Pro II SVR 在屯溪水文站應(yīng)用中基本滿足生產(chǎn)需求，在中、高水條件下，可代替轉(zhuǎn)子式流速儀、走航式ADCP 進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)質(zhì)量滿足規(guī)范要求。在不同測(cè)驗(yàn)河段及斷面情況下，系數(shù)可能不同，建議把握測(cè)流時(shí)機(jī)，合理均勻布置比測(cè)次數(shù)，增加比測(cè)資料，提高測(cè)驗(yàn)精度及系數(shù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)河道特征如有較大變化，應(yīng)重新校測(cè)。