電波雷達在營口地區中小河流應急監測的適用性探討

李 升

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

0 前 言

電波流速儀由于體積小，測流時效性強，近些年來在國內許多地區得到推廣和應用[1-6]。電波流速儀的測定原理是基于多普勒效應通過測定河流表面流速，并建立表面流速和斷面平均流速的轉換關系，推求斷面平均流速，在結合施測斷面面積，得到斷面流量[7]。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[8]。此外電波流速儀要在區域中小河流應急監測中得到應用，需要對其表面流速和斷面平均流速的轉換關系進行分析，確定轉換系數，才能有效的應用電波流速儀在中小河流應急監測中得到應用[9]。為在營口地區中小河流中采用電波流速儀進行應急監測，采用對比觀測試驗的方式，即在同一位置同時采用電波流速儀和傳統流速儀對流量進行觀測，結合河流流量測驗規范GB50179-2015通過測驗誤差判定其最佳的流速轉換系數。研究成果對于營口地區中小河流洪水應急監測的方式具有重要的參考意義。

1 電波雷達的測流原理

電波雷達主要基于多普勒效應對水流表面流速進行測定，水面波動以及懸浮物都可以為電波雷達提供反射能量。電波雷達可對水流高速狀態下的表面流速進行較為快速的測定。具體測流時，打開電波雷達的開關后朝向水面發射信號，即開始進行流速測定工作。初始發射時間維持在10s，此后每間隔5s進行一次觀測，一般測流時間控制在1min以內，這段時間測定的是水面平均流速值。電波雷達由于重量較輕可單人手持也可架設在三角架上，此外電波雷達由于耗電量不高，可以實現5h以上連續工作，能滿足多次測流要求。電波雷達由于內置傾斜傳感器，可以對水平改正角和仰俯角進行手動選擇和自動改正，在異常天氣條件下具有防雨淋的功能。

2 測流方式及站點概況

2.1 測流方式

電波雷達一般可在測驗河段上的橋梁進行流速測定工作，手持電波雷達在橋上對準水面目標進行信號發射，水流流向一般和電波雷達保持平行，首先在電波雷達的MENU鍵選擇COS項對水平改正角度進行調整，調整初始水平改正角度為0°。將流速單位設置按照U項進行選擇，改為EUR(m/s)。將顯示分辨率選擇MODE鍵調整100ths，在具體使用電波雷達時，需要對雷達槍進行傾斜，且傾斜的俯角低于60°。電波雷達順著水流或者面向水流方向且保持在恒定的俯角位置對水體表面流速進行測定。

2.2 測站概況

熊岳水文站位于熊岳河下游，地處蓋州市熊岳鎮鐵東街，E122°08′50″，N40°09′49″，集水面積307km2，斷面以上河長為31.9km，主河道比降為6.3‰。主要支流有熊岳河，流域形狀系數為0.302。區域內共有3個雨量站，分別是鮑家屯、八道河、熊岳，平均每站控制面積為102.3 km2。

3 精度評價方法

需要采用傳統流速儀比測的方式對電波雷達的測驗精度進行分析。通過布設多條測速垂線同時采用流速儀和電波雷達進行測驗。按照河流流量測驗規范GB50179-2015要求，電波雷達測定的流量和傳統流速儀測定流量的誤差低于20%，則表明電波雷達測定的流速較為可靠的穩定性，滿足河道流量測驗的精度要求。

4 比測試驗結果

4.1 流速橫向分布檢驗

將電波雷達和傳統流速儀在同一位置進行流速的觀測。點繪電波雷達和傳統流速儀的流速橫向分布。對傳統流速儀垂線平均流速和雷達槍表面流速進行分析，從而驗證兩種儀器流速橫向分布的一致性，分析結果如表1所示。

表1 熊岳水文站電波流速儀和傳統轉子流速儀流速測定對比結果

對比觀測的方式主要是通過在同一位置采用電波流速儀和傳統流速儀進行對比觀測，熊岳水文站斷面寬度為200m，為此對比試驗間隔20m起點距進行一次對比觀測試驗，共計進行11組對比觀測試驗，從對比試驗結果可看出，隨著起點距的增加，電波雷達流速儀和傳統轉子流速儀測定的流速具有較好的橫向分布，即在同一位置，轉子流速儀測定流速較大其電波流速儀測定的流速也較大，總體電波流速儀測定的流速高于轉子流速儀，這主要是因為電波雷達流速儀測定的是河流表面流速，表面流速要高于斷面平均流速，因此其轉換系數一般低于1.0，綜合對比11組比測試驗，熊岳水文站電波雷達流速轉換系數綜合值為0.84，從其確定度分析結果可看出，不同觀測試驗次數下其不確定可在河流測驗規范GB50179-2015要求，單次不確定度為10.4，可見綜合率定的熊岳水文站電波雷達流速轉換系數可滿足河流流量測驗的規范要求。

4.2 測驗精度分析

通過對該站低中高水的進行8次對比觀測試驗，得出綜合水面流速系數為0.84，為進一步驗證系數的可靠性，建立雷達槍與流速儀水位流量關系。結果見表2。

表2 熊岳站電波流速儀與轉子流速儀水位流量關系分析結果

從不同水位下的電波雷達流速儀轉換流量可看出，其和傳統轉子流速儀之間測定的流量誤差均可在20%以內，滿足河流測驗規范GB50179-2015的測流誤差要求。對于電波雷達流速儀而言，環境的差異也可能導致不同的情境出現，從而導致顯示錯誤的速度。例如，目標工作范圍內外有干擾信號等。電機產生的EMI干擾，無線電頻率干擾，其它電子設備干擾，都會導致目標速度錯誤。對于營口地區中小河流流速速度0.2-0.7m/s的水流，風雨雪的影響極大，所以電波流速儀對于營口地區高洪流量的測驗比較適用。此外，電波雷達測速時間可短些，流速小時，測速時間應長些。常規下，流速>1m/s時，測速時間可在 20-30s；流速在0.5-1.0m/s時，測速時間可在30-60s；流速<0.5m/s時，測速時間可在60-90s。

5 應用結論

1)通過比測分析，電波雷達在營口地區中小河流流量監測具有適用范圍，一般當表面流速高于0.7m/s的水流，外界干擾對電波雷達測定精度影響較小，可采用電波雷達進行測流，其轉換系數可設置為0.84，儀器適用于營口地區高洪應急監測；

2)電波流速只測定流速，而不對斷面水深進行觀測，因此在實際應用過程，應盡量選擇順直且斷面沖淤變化較小的河段進行測流，盡量降低環境對電波雷達產生的測流影響。