利用電波流速儀最佳性能進行流量測驗的探討

汪海洋

（河南省駐馬店水文水資源勘測局）

1 概述

手持電波流速儀是用于明渠河道水面流速測量的儀器，主要特點是：儀器使用電磁波，頻率可高達10GHz，屬微波波段，在空氣中衰減很慢，可以很好的在空氣中傳播，因此測速時可不必接觸水體即可測得水面流速，不受水面、水內漂浮物的影響，也不受水質、流態等影響，配有背景光可以全天候作業，很適合洪水時的巡測和橋測方式。主要用于野外巡測以及決口、潰壩、泥石流等較大洪水情況下的流量測驗，也是目前水文站較安全實用的備用應急測流設備。

2 工作原理及主要技術參數

2.1 工作原理

電波流速儀是應用微波多普列效應，根據發射波頻率與反射波頻率的關系轉換出水體流速運動，利用岸上靜止發射光束到水面，反應水體相對運動，達到水面測速的效果。儀器實測到的是視角光束面積內的水面平均流速。

2.2 主要技術參數

儀器波束視角12°，測程距離10 m 時，光束照射到平面的寬度是2 m；儀器最大有效測程50 或100 m（不同儀器標注）；平行水流方向視線水平夾角＞10°就會出現余弦誤差，需要輸入水平角度進行余弦補償；儀器內含有垂直角度自動測量，可以自動余弦補償，無需人工輸入。

3 流速測驗中參數的控制應用分析

3.1 儀器波束視角控制測量

技術參數光束視角是12°。根據說明書介紹，測程10 m時，光束寬度2 m。以此推出，測程100 m時，光束寬度應為20 m。

流速測量時，可以根據測驗河段地形、環境、橋梁、水工建筑物等情況布設測驗方案。依據儀器參數：最大有效測程100 m，相對于河道較窄（水面寬＜20 m）的情況，儀器光束覆蓋水面寬范圍較大，可以采用單測速垂線或少測速垂線測量，河道較寬的可采用均勻布設測速垂線的方法，提高測量精度。

3.2 菜單中選項意義及選擇

bl背光燈（開/關）、c=余弦調整（0°至60°，增量為5°）、u=測量單位（USA=FPS，美國=英尺/秒；EUR=M/S，歐洲=m/s）、A=角度（垂直角度顯示，僅報告）、SEN=敏感度（1～10，10 為最大敏感度，建議設置為05）。測量前保證各項參數正確設置，開始測量流速時將SVR 對準水面，扣動并松開扳機。可按水流方向或其反方向測量水面流速。如果想要更改顯示器分辨率，請按MODE 按鈕。速度可以10 ths 或100 ths 顯示。如果在每個測量區間，出現超過0.15～0.24 m/s的波動，建議審核最終值。讀數穩定一致則表明測量結果有效，因此建議出現大的波動時重新測量一次，保證結果的準確性。SVR 垂直角補償不超過60°，使用時需要注意不要垂向傾斜過度。

3.3 儀器最大有效測程控制測量

測程的變化對流速測驗影響主要有兩個方面：一個是引起測速光束面積的大小變化；一個是影響測速固定斷面的變化。

儀器實測到的是視角光束面積內的水面平均流速。單次流量測驗中，不同測速垂線上采用不同視角光束面積測得的平均流速沒有代表性，因此，單次流量測驗中要求斷面位置固定，各垂線測速光束面積相等。而測程的變化直接影響到光束面積的變化，引起流速測量的不穩定；測程的變化又影響到測速斷面位置的不固定。因此，測量過程必須高度控制儀器的垂直角度（宜三腳架固定測量），避免測程變化影響到流速的測驗，造成流量測驗的誤差。

3.4 水平角余弦補償控制測量

儀器水平視角在10°以內誤差很小，＞10°需要余弦補償。儀器內無水平角度度盤，為了消除水平余弦誤差，靠人工測量角度輸入進行余弦補償。

儀器架設至河道岸邊（貼近水邊）測量時，計算出儀器距離測流斷面100 m時，夾角為9.60°，輻射斷面最遠垂線起點距為17 m；儀器距離測流斷面50 m時，夾角為9.60°，輻射斷面最遠垂線起點距為8.30 m。也就是說，由于測程控制，測速垂線起點距（控制水平角度10度時）最遠可達到17 m處，＞17 m就要有余弦誤差，需要另外測量水平角度輸入余弦補償，影響精度；并且測程也會超限100 m，不符合測速技術要求。

所以，根據水平夾角及測程的技術參數限制，岸邊測量僅適合于水面較窄（＜20 m）的河道明渠。因此，根據測驗河段環境，利用橋梁及水工建筑物，在迎水面、順水面測量可以使水平角度為0，減少了技術參數的限制，是電波流速儀測速最好的選擇。

3.5 垂直角余弦補償控制測量

根據儀器技術參數說明，俯角45°測量時，測量精度最佳，儀器自動垂直余弦補償。

以利用橋梁測量為例，根據具體橋高狀況，此次分析選取常見的3～15 m 之間高度，手持儀器高1.50 m，對應儀器距離水面不同高度（分級5～15 m），計算測速俯角、測程、固定斷面位置之間的關系如表1、表2：

表1 儀器高-俯角-測程關系計算表

從表1 可以看出，最大測程（＜100 m）對應俯角為3～9°，不符合俯角45°儀器測量精度最佳要求，為了達到最佳測量精度，分別計算不同斷面位置的俯角值，得出距橋10m處固定斷面位置測量俯角最佳（26～56°），見表2。因此，電波流速儀利用橋梁測量時，測流斷面位置宜選擇橋上游或下游10 m處，做為流量測驗的固定斷面。

綜合分析，手持電波流速儀流量測驗適用于利用橋梁或類似橋梁的水工建筑物測量。水面較窄（＜20 m）的情況下，控制技術參數限制，根據測驗環境可以采用岸邊測量；水面較寬的情況下，不宜采用岸邊測量，需借用橋梁或水工建筑物測量，控制技術參數限制。測流斷面位置盡量選在測量俯角最佳45°處，根據具體情況分析避開橋梁或水工建筑物對水流的影響，提高測驗精度，有效發揮電波流速儀在流量測驗中的應用。

4 電波流速儀的系數比測方法

4.1 采用直接測速對比法

則得到電波流速儀本條垂線流速系數，可用下式計算：

式中字母含義同規定。

根據河寬及斷面的轉折合理分布垂線，得出每條垂線上電波流速儀系數。最后利用部分流量加權法計算出全斷面綜合系數。公式如下：

式中：qi—部分流量，m3/s；V電波—該部分流量得兩條測速垂線測速時電波流速系數的平均值；Q—斷面流量，m3/s。

4.2 采用實測流量對比法

此法是依照浮標系數率定進行比測。相比4.1簡易可行。用電波流速選取若干垂線測出水面點流速，借用斷面面積計算出虛流量；同步應用轉子式流速儀測出同電波流速儀垂線處的垂線流速，借用斷面面積計算出真實流量。兩者之比值可得考慮各種因素的綜合系數。

5 結論

先進的儀器需要先進的技術進行操作。任何儀器都有自身適應性，只有結合儀器特性，利用最佳測驗性能才能充分發揮其優勢。通過對電波流速儀最佳使用性能的分析討論及系數率定，可以更有效地使用電波流速儀進行流量測驗，提高流量監測精度，充分發揮非接觸式儀器的靈活、高效、適應性強的特點，特別是在高洪期及潰壩、決口流量中的監測使用。