電波流速儀在遼寧地區中小河流測站高洪應急監測的比測分析研究

豐亞麗

（遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124000）

0 前言

目前我國測報一體化主要取決于流量、泥沙的自動測報。近十年，雨量、水位、蒸發、墑情自動監測技術已日趨成熟，就遼寧省而言，當前，雨量站、水位站已完全實現遙測，而流量、泥沙自動監測站卻寥寥無幾［1]。目前流量測驗仍以傳統的流量測驗方法作為主要的測驗手段。如流速儀法［2]、浮標法［3]（中泓漂浮物）及比降面積法［4]。高洪流量測驗對防汛決策意義重大，尤其是高洪流量對水利、交通以及防洪工程的影響均較高，因此進行高洪應急測驗方式的研究十分重要。但洪峰流量較大時，河流流速較大，水深較高，河流水位上漲下落速率較快，洪水攜帶大量的泥沙和漂浮物使得水文測驗難度較大，流量測驗的安全系數較低［5]。在常規測流方式中，流速儀以及ADCP 法測驗精度較好，但是測流儀器都需要和水面進行接觸，受到高洪水影響安全性難以得到有效保證。比降面積法和中泓浮標法的操作原理較為方便，且安全性能較好，但是測驗精度很難得到保證［6]。電波流速儀通過對水流表面的流速進行測定，建立表面流速和斷面平均流速之間的相關性，來對斷面流量進行推求。近些年來在一些地區河流應急監測中得到廣泛應用［7-12]，通過比測分析，電波流速儀在高洪應急監測的精度可滿足測驗基本要求。近些年來，電波流速儀已逐步在遼東地區得到應用，但在中小河流高洪應急監測中應用還較少，而當前中小河流已成為防汛關注的重點區域，其高洪水的及時監測，可為中小河流防汛決策提供重要的數據支撐。為此本文以遼東地區某中小河流測站為實例，探討電波流速儀在中小河流高洪監測的精度。

1 電波流速儀測定原理

電波流速儀是利用雷達多普勒效應來測定水流的流速，對雷達波反射距離和雷達接收參數進行定量分析。雷達發射和天線增益功率分別為Pt和Gt，目標距離天線R距離的功率密度ρ1的計算方程為：

電磁照射將使得目標返回散射波，假定目標散射面積為σ，并假定接收的輻射功率能夠使得散射目標損耗最低，則反射的功率目標值Ps計算方程為：

每個目標散射單位面積為σ0，雷達波及反射角度的分辨率分別為ΔR和Δθ，河流按照距離和單位劃分的面積需要滿足的條件為：

假設PS均勻輻射，則在接收天線處收到的回波功率密度P2為：

為保證雷達發射波距離目標較近，回波接收雷達功率Pr需要符合檢測信號功率Smin的最低值，即為雷達波反射距離的最大值Rmax需要滿足的條件為：

實際探測中，難以準確預測目標的有效反射面積、系統損耗等參數，因此雷達方程常用來作為一個估算雷達性能的公式。

2 電波流速儀的主要特點和操作步驟

2.1 主要特點

電波流速主要特點為：①總重1.3 kg，水文測驗人員可獨立進行流量測定工作。②耗電少，內置電池可持續工作5 h，沒有任何操作情況下每隔5 min 電波流速儀自動關機。③可對仰俯角通過內置的傾斜傳感器進行自動改正，水平改正角則通過人工進行修正。④在天氣較為惡劣情況下可正常使用。

2.2 操作步驟

電波流速儀通過測定表面流速，建立表面流速和斷面平均流速的關系，來對斷面流量進行推求，水流表面的漂浮物和水流波動都能使得電波流速儀的測流精度產生一定程度的影響，因此在具體使用時，開機后立即進行流速的測定，起始時間為10 s，每間隔5 s 進行下一次流速的測定，1 min 后流速測定過程結束，對測定的流速進行時段平均值的計算。

當測驗河段有橋面，則電波流速儀可以安裝橋梁上，將電波流速儀對準水流，并平行于水流方向，按MENU 鍵，選擇COS項，將水平改正角度置為0°；選擇U 項，將流速單位改為EUR（m/s）。按MODE 鍵，將顯示分辨率設置成100 ths，傾斜雷達槍，俯角不要超過60°，且使雷達槍保持在恒定的俯角位置，面向水流或順著水流測量水面流速。

3 對比觀測流量測驗的精度評定方法及誤差標準

按照《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）相關要求，按照以下方程對不同標準差的流量分量進行估算：

式中：SY表示為相對流量分量標準差，%；表示不同流量分量的均值；Yi表示第i個流量分量的測驗值。

在此基礎上結合不確定度來分析流量測驗精度，在不同水位級別下對總不確定度進行估算，各獨立流量分量的隨機不確定度按照95%置信水平進行估算：①當對比分析的樣本數據系列高于30 的情況下，隨機不確定度為相對標準差的2 倍；②當對比分析的樣本數據系列小于30 的情況下，按照T 檢驗的相對標準差和檢驗值進行相乘得到綜合不確定度。

表1 不同水平對應的檢驗值

結合儀器出廠時率定的指標對其不確定度進行分析，當流量剖分成相互獨立的分量后，對總隨機不確定度進行分析：

4 對比觀測分析

4.1 站點概況

本文以遼寧某中小河流站為實例，水文測站以上的流域面積為854 km2，屬于三類測驗精度站，測驗河段主河道水流向左偏轉，高洪期間流速大，河道平均比降較大，在測驗斷面下游的300 m 處有一個急灣，左岸和右岸分別為砂土緩坡和砂石陡坡，沙卵石為其河床主要組成，河段斷面沖淤變化較為穩定。

4.2 流速系數分析

雷達槍測速的穩定性，需要同流速儀進行比測檢驗。通過多條測速垂線上雷達槍與流速儀比測試驗，檢驗雷達槍測得表面流速沿斷面橫向分布與流速儀是否一致，檢驗雷達槍表面流速與流速儀垂線平均流速兩者相關關系。理論上，兩者流速應存在固定的比值關系（即水面流速系數），但實際上多次實驗總是存在著測驗誤差，致使各次比值大小不一。比值變化范圍越小，兩種儀器測速擬合度越高，也就是說明雷達槍測速的穩定性越好。眾所周知，斷面面積相同的情況下，雷達槍與流速儀測得的流量主要取決于相應的流速。所以水面流速系數可以作為判斷雷達槍穩定性的一個重要指標。系數的取值直接影響流量定線精度。這里引用二類站單一曲線法定線精度指標作為控制標準，當雷達槍水面流速系數置信水平95%的隨機不確定度不大于10%，則認為雷達槍測速穩定可靠，滿足流量定線精度，可以使用。對研究站點進行6 個測次的電波流速儀與傳統轉子流速儀流速系數的對比分析，見表2 和表3。

表2 電波流速儀與傳統轉子流速儀流速系數對比（測次1～測次3）

表3 電波流速儀與傳統轉子流速儀流速系數對比（測次4～測次6）

通過對研究站點6 個測次下電波流速儀和轉子流速儀的流速系數對比結果可看出，得出采用電波流速儀下綜合水面流速系數為0.84，綜合不確定度為2.2%。滿足河流高洪應急測驗的規范要求，即當電波流速儀水面流速系數置信水平為95%的隨機不確定度不大于10%，則認為雷達槍測速穩定可靠，滿足流量定線精度，可以使用。在具體使用電波流速儀進行高洪應急監測時，按MENU 鍵，選擇COS 項，將水平改正角度置為0°；選擇U 項，將流速單位改為EUR（m/s）。按MODE 鍵，將顯示分辨率設置成100 ths，傾斜雷達槍，俯角不要超過60°，且使雷達槍保持在恒定的俯角位置，面向水流或順著水流測量水面流速。

4.3 測驗精度對比分析

結合測定的綜合流速系數對比分析了電波流速儀和傳統流速下的流量測定精度，結果見表4。

表4 電波流速儀和傳統流速儀的流量測定對比結果

結合對水文測站的觀測試驗分析，電波流速儀在高洪應急測驗上具有一定的精度，若操作和使用較為準確，電波流速儀測定精度可有效滿足高洪應急監測的需求。但是，外部環境情況也可能導致不同的情境出現，從而導致顯示錯誤的速率。例如，目標處于工作范圍外；工作范圍內有干擾信號等。電機產生的EMI 干擾，無線電頻率干擾，其它電子設備干擾，會使得測驗產生一定的誤差，當流速處于0.2 m/s～0.5 m/s 之間，惡劣天氣影響程度較高。因此電波流速儀在高洪應用的效果較好，此外由于電波流速儀不能對水深進行測定，因此需結合斷面測量數據對流量進行分析，由于其對斷面變化要求較高，在具體應用中，應盡量選擇順直的測驗河段，降低環境影響，

5 分析結論

（1）通過測站對比試驗分析，電波流速儀可以應用在中小河流高洪流量應急測驗上，由于電波流速儀不能對水深進行測定，因此需結合斷面測量數據對流量進行分析，由于其對斷面變化要求較高，在具體應用中，應盡量選擇順直的測驗河段，降低環境影響。

（2）高洪應急測驗時，應使電波流速儀的指向平行于河流水向，調整電波流速儀的俯角小于60°并對水平角度進行改正，從而保證電波流速的高洪應急測驗精度。