S3-SVR 型雷達波流速儀在涇河上游流域測驗適用性分析

雒 儀

（甘肅省平涼水文水資源勘測局，甘肅 平涼 744000）

流量測驗的目的是要獲取江河徑流和流量的瞬時變化資料，目前流量監測采用最多的方法為流速面積法，是通過實測斷面上的流速和過水斷面面積來推求流量的一種方法[1]。但由于目前實測流量的測驗方法比較復雜，單次實測流量的工作量較大。為實現流量數據的自動采集、自動計算，減輕基層水文站的工作強度，提高工作效率。甘肅省水文水資源局先后引進S3-SVR 型無線雷達波流速儀20 余套，分別安裝在甘肅省各國家級基本水文站。為驗證雷達波流速儀測驗精度，在涇河不同支流有針對性的篩選了兩處水文站斷面進行流量比測，根據《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）驗證其測驗數據的合理性是否能夠達到參加水文資料整編的要求，并分析其適用性。

1 流域概況

涇河干流發源于六盤山東麓，河源處海拔高程2850 m 左右，河流由西南流向東北，經崆峒區、涇川縣，在長慶橋處進入陜西省，在平涼市境內干流長132 km，楊家坪斷面控制流域面積14124 km2，河道平均比降1.86‰，多年平均徑流量7.79 億m3。區域內測站斷面多為卵石、砂礫石河床，中高水河寬由30 m～100 m 不等，洪水多由降水形成，洪水峰形為尖瘦形，漲落快，持續時間短，水位流量關系曲線中高水位相對穩定，低水位由于斷面變化，主流擺動。

2 技術方案

2.1 雷達波測流系統簡介

根據S3-SVR 型雷達波流速儀操作說明書，無線雷達波流速儀是參照我國水利行業標準《河流流量測驗規范》（GB 50179-93），《水文纜道測驗規范》（SL 443-2009）（5 纜道測流）開發研制的。2010 年3 月研制成功，實測結果表明無線遙控雷達波數字化測流系統搭建快捷、操作方便、測流迅速、流速數據準確穩定。

2.2 比測方案

雷達波流速儀是利用雷達波測得水面流速，然后采用實測或借用斷面資料從而計算斷面流量。因此，應與全斷面浮標法、流速儀法同時進行比測分析，從而獲得較為可靠的比測資料，具體比測方案如下，并按順序進行。

（1）雷達波流速儀其雷達可轉角度為0°～70°，不同角度下測得流速差值較大，因此應在河道流量穩定期間，通過設置不同雷達角度比測分析出符合涇河上游河道測流最佳角度，并確定水面流速系數；（2）雷達波流速儀的運行需架設跨河鋼索，也可借用纜道鋼索，因此是否能夠準確運行至測速垂線位置，對后期的測速與計算至為關鍵，故需要進行起點距比測，確定其起點距修正系數；（3）在測驗斷面按照水位的高低劃分高、中、低三個水位級別，分別于各級水位的穩定時段布置測次，使用雷達波流速儀與全斷面浮標法、流速儀法同時進行測驗。其單次測驗水位變幅不得超過0.1 m，在比測實驗前應對各儀器進行修理維護，確保同類儀器測得數據在誤差范圍內[2]。

表1 三種測驗方法儀器主要技術指標

3 比測實驗

3.1 雷達各角度下流速比測

選擇在平涼、安口兩水文站采用雷達波流速儀與LS25-1型轉子式流速儀進行水面流速比測實驗，在河道水流穩定的前提下于河道中泓位置布設一條測速垂線。雷達波流速儀分別以15°、30°、45°、60°施測，經過各角度下不少于10 次測量計算對應的水面平均流速。LS25-1 型流速儀采取垂線相對水深0.0 m 施測水面流速，進行不少于5 次施測并取其平均值為流速，應確保流速儀旋槳完全被水面淹沒，且機身應對準流向。

表2 雷達波流速儀不同角度流速比測

圖1 雷達波流速儀雷達角度與流速關系圖

由表2 可知雷達角度與流速成正比，雷達角度越大測得流速越大。由圖1 可見，兩水文站雷達角度與流速趨勢線基本平行且呈25°夾角遞增，相關系數為0.9477，相關性較好。

通過分析實測數據可知雷達角度為45°時流速接近LS25-1 型流速儀施測值，但流速相對偏小，通過算術內插計算可得雷達角度為45°時，水面流速系數應為1.04。另外雷達波照射至水面的角度誤差與河道比降相關，涇河上游地處六盤山東麓平均比降為17.4‰，各河道比降較為一致，此誤差可以忽略不計。

3.2 起點距修正系數

雷達波流速儀依靠內部電機帶動頂部齒輪轉動，從而實現設備在跨河鋼索上穩定運行。涇河上游河道寬度一般在50 m～150 m 之間，現有的跨河纜道鋼索弧度根據距離的不同在10°～15°范圍內。因此應對不同的斷面纜道，分別比測確定儀器起點距修正系數。現以安口水文站為例，利用全站儀交會法分段測得儀器運行實際起點距，與控制端計數器顯示起點距進行比測檢驗。起點距的定位誤差不得超過河寬的0.5%，絕對誤差不得超過1 m。儀器按測速垂線順序運行，中途不可回車，以免因回轉差積累產生系統誤差，每次比測完畢后，應將設備返回起始點，檢查計數器數值前后是否一致。

表3 雷達波流速儀運行修正系數比測表

由表3 可知，修正系數與運行距離成反比，修正系數越大設備運行距離越短。通過比測實驗，平涼站纜道電機修正系數設置為1.16 時實際運行距離與計數器顯示距離一致，滿足誤差要求。

3.3 流量比測

通過對雷達波流速儀雷達角度與運行修正系數進行比測，可以確保測得垂線水面流速的準確性，從而進行斷面實測流量比測。以安口水文站為例，采用雷達波流速儀、全斷面浮標法、流速儀法在高、中、低水位分別布設施測，采取統一測速垂線可以確保測流過程的相似性。比測時應確保河道水流的平穩暢通，不得有死水、回流、分流，高水位時無大量漂浮物。

（1）流速儀法測流在低水位時采用LS10 型流速儀人工涉水施測，中、高水位時采用LS25-1 型流速儀利用纜道施測。按照測速垂線在全斷面均勻布設測點，采用相對水深0.6 m一點法測速，測點測速歷時不應短于100 s。水深在低水位時采用人工測深桿施測，中、高水位時采用纜道測深[3]。（2）全斷面浮標法采用一字型草把，按照測速垂線在全斷面均勻投放浮標，利用全站儀交會法確定起點距，每條測速垂線應至少投放2個浮標，垂線水面流速采取兩次投放的平均值。斷面上下間距為100 m，時間讀數精確至0.1 s，浮標系數選取實驗值0.65，借用實測大斷面計算水道斷面面積。（3）雷達波流速儀測流，啟動電腦端控制軟件，連接發射天線至電腦USB 接口與儀器相互通信，將儀器安放置測驗纜道起始點位置準備。調整雷達角度為45°，電機修正系數為1.16，選取借用的測驗斷面并設置測速垂線。各類參數調試完成后開始自動測流，流量測驗過程中應隨時觀察設備運行狀態。

表4 甘肅省平涼市安口水文站流量比測試驗記載表

由表4 選取部分測驗數據可知，雷達波流速儀測得流速接近傳統轉子式流速儀法，由于借用大斷面的關系，最終計算流量與傳統轉子式流速儀法有些許誤差，滿足流量測驗規范對誤差的要求，無線雷達波流速儀受其影響測驗精度的要素少于全斷面浮標法，所以其測驗精度高于全斷面浮標法。

4 結論

通過對S3-SVR 型雷達波流速儀的雷達角度、運行起點距、流速比測等三個方面進行測試分析，相比轉子式流速儀法與全斷面浮標法，雷達波流速儀測驗全程自動化，歷時短，測驗精度符合規范要求。滿足涇河上游流域水文特性與流量測驗及時性的要求，能夠快速準確的測得流速數據。受限于雷達波流速儀運行必須依靠跨河鋼索，無法用于野外水情應急監測，可在有條件的水文站替代全斷面浮標法，并為甘肅省水文監測改革和突發性洪水測驗提供先進的設備支持。