丹東地區電波雷達流速轉換系數率定探討

卞曉穎

(法庫縣農業技術推廣與行政執法中心，遼寧 法庫 110400)

0 引 言

電波雷達流速通過測定水流表面流速，通過流速系數轉換系數得到斷面平均流速，在結合過水斷面面積可以推求斷面流量，這種方式目前成為我國河流應急水文監測的一種重要方式得到推廣和應用[1-5]。電波流速儀需要對其流速轉換系數進行率定才可以對斷面平均流速進行推求，因此需要對其流速轉換系數進行分析，當前，對于電波雷達流速儀轉換系數推求主要采用對比觀測試驗的方式進行，通過同一個觀測斷面進行對比觀測試驗分析，對電波流速儀測定的表面流速和實測斷面平均流失之間的系數進行分析，從而得到電波流速儀的轉換系數[6-15]。丹東地區屬于遼寧省暴雨洪水易發區，區域山區型河流較多，洪水陡漲陡落，為保證突發洪水測流的時效性，需要采用電波雷達流速儀進行應急觀測，從而加密水文觀測的次數，為防汛決策提供及時有效的支撐依據。為此文章采用對比觀測試驗的方式，以丹東沙里寨水文站為研究站點，分析其電波雷達流速轉換系數，從而為電波雷達流速儀在丹東地區的推廣和應用提供參考。

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流轉狀態下的表面流速進行較為快速的測定。具體測流時，打開電波雷達的開光后朝向水面進行發射信號，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鐘進行一次觀測，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以單人手持也可以架設在三角架上，此外電波雷達由于耗電量不高，可以實現5小時以上連續工作，可滿足多次測流的要求。電波雷達由于內置傾斜傳感器，可以對水平改正較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

文章選擇丹東沙里寨水文站為研究實例，測驗河段順直長約400m，河槽為單式U字形，較平坦，河床為細紗卵石組成。兩岸為石砌護岸，岸上為公路，高程78m以上。中高水河寬約500m。基本斷面上游150m處有本年新修建的橡膠壩一座，不能儀測流量和含沙，中高水可用浮標、比降施測流量。在基本斷面上游385m有公路大橋一座，為中高水測流斷面。基上100m為比降上兼浮標上斷面，基下100m為比降下兼浮標下斷面，基上385 m為流速儀測流斷面。

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采用流速儀和電波雷達的比測方式進行檢驗，對各垂線平均流速和電波雷達測定的表面流速進行一致性檢驗。理論上，垂線平均流速和電波雷達測定的表面流速存在一個比值關系，即為水面流速系數，但在比測試驗中由于存在一定的測驗誤差，使得各比測試驗該水面流速系數大小不一致，該系數值越小表面兩種對比觀測儀器之間的擬合程度越高，說明電波雷達的穩定程度越高。一般情況下，在相同的斷面面積下，傳統流速儀和電波雷達測定的流量大小直接由流速大小決定。因此電波雷達穩定性評定的一個重要指標即為水面流速系數。流量定線的精度直接受到水面流速系數的直接影響。沙里寨文站為二類水文測站，因此采用河流流量測驗規范要求，二類水文站電波雷達在95%的置信度水平下的隨機不確定度低于10%，則表明電波雷達測定的流速較為可靠的穩定性，滿足流量定線的精度要求。

4 比測試驗結果

4.1 流速橫向分布檢驗

將對比觀測中電波雷達和傳統流速儀在同一位置進行流速的觀測，分析電波雷達和傳統流速儀的流速值，得到流速轉換系數，見表1，對傳統流速儀垂線平均流速和雷達槍表明流速進行分析，從而驗證兩種儀器流速橫向分布的一致性。

表1 沙里寨水文站不同時期水位值

從不同起點距可看出，隨著起點距的增加，流速轉換系數變化規律性不明顯，起點距對流速轉換系數影響程度不高。此外，流速轉化系數越高，不確定度越大，表明流速轉換系數和不確定度之間具有較為顯著的相關性。這主要是因為電波雷達流速儀測定的水流的表面流速，而傳統轉子流速儀測定的是斷面平均流速，一般而言表面流速要高于斷面平均流速，因此電波流速儀測定的流速較為合理。在不同起點距下，電波流速儀和轉子流速儀之間的轉換系數總體在0.56-0.94之間，且橫向分布具有同步性。各起點距的轉換系數的均值為0.85，單次測驗的不確定度為10.9，可滿足河流流量測驗的規范要求。

4.2 測驗精度分析

通過對本站低中高水的進行8次對比觀測試驗，得出綜合水面流速系數為085，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 丹東沙里寨水文站電波流速儀和傳統轉子流速儀流速測定對比結果

表2 電波流速儀與轉子流速儀水位流量關系分析結果

續表2 電波流速儀與轉子流速儀水位流量關系分析結果

從不同基本水尺水位下未轉換前電波流速儀流量和電波雷達流速系數可看出，電波雷達系數為0.85，在未轉換前，電波雷達流速儀流量和轉子流速儀之間測定的流量誤差較大，通過分析測定流量之間的誤差高于20%，很難滿足水文測驗的精度要求。這主要是因為電波雷達流速儀主要測定的河流表面流速，而表面流速均要高于斷面平均流速，使得未轉換前電波雷達流速儀測定的流量明顯要高于轉子流速儀測定的流量。而進行雷達流速系數轉換后，轉換后的電波雷達流量和轉子流速儀測定的流量之間的誤差均低于20%，可滿足河流測驗的規范要求，尤其是可滿足河流應急測驗的規范要求。丹東一般為山區型河流，河流斷面沖淤變化較大，在采用電波雷達流速儀進行流量測定時流速轉換系數采用值為0.85，從轉換后的水位流量關系看出，電波流速儀在高水位時水位流量關系一般較為穩定，而在低水位由于流速較小，電波流速儀測定的水位流量關系受外界影響因素較多，穩定性不高。

5 結 語

1)電波流速儀在阜新地區中高水位時，測定的流量和水位具有較好的穩定性，因此適合于阜新地區中、高水位河流的應急測流，而高流速下，電波流速儀的流速測定誤差有所增高，因此建議在具體適用時，當水面流速高于2.5m/s時，由于電波流速儀測流精度影響較大，建議可采用浮標法進行應急測流。

2)丹東一般為山區型河流，河流斷面沖淤變化較大，在采用電波雷達流速儀進行流量測定時流速轉換系數采用值為0.85，從轉換后的水位流量關系看出，電波流速儀在高水位時水位流量關系一般較為穩定，而在低水位由于流速較小，電波流速儀測定的水位流量關系受外界影響因素較多，穩定性不高。