手持電波流速儀在黃山地區中高水流量測驗中的應用研究

李立州 程

(黃山水文水資源局，安徽 屯溪 245000)

1 研究背景

黃山市地處皖南山區，轄區內有新安江、長江、鄱陽湖三大流域。山區河流因其地勢原因，洪水期間水位暴漲猛落，水位和流量均變幅大，持續時間短。在有限的洪水歷時里測得并掌握水文資料顯得尤為重要。隨著測驗環境的長期變化和對水文測驗要求的不斷提高，傳統的轉子式流速儀、浮標和比降-面積測流法已難以適用山區中高水的測驗條件，聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，簡稱：ADCP)、手持電波流速儀等儀器脫穎而出，并得到越來越多的應用。

汛期對洪水的搶測，尤其是中小河流站點，測驗人員和儀器的流動性都比較大，往往會出現多部儀器在同一個站使用或同一部儀器在多個站點使用的情況。過去用電波流速儀測流時采用系數大多為出廠值、借用已有站系數或參考其他方法率定的水面流速系數。但實踐發現，這些方法受操作人員經驗影響較大，成果穩定性差且誤差較大，難以滿足定線推流要求。若想使手持電波流速儀在黃山地區中高水測流中得到較好應用，生產應用中還須分析探尋不同儀器型號、不同斷面下的比測系數規律。

2 研究目的與方法

手持電波流速儀體積小易攜帶、操作便捷、使用安全性高，對測驗環境要求低，更適合于山區河流的野外測驗，且山區洪水期間漂浮物越多，儀器反射波越強，在洪水測驗中越占優勢。但由于手持電波流速儀在黃山地區的使用經驗較少，未有足夠的數據分析其應用系數是否受測驗斷面或儀器軟硬件等因素影響。手持電波流速儀系數的選用直接影響河道斷面流量測驗成果，在傳統的測驗方法難以實施的情況下，分析出準確的電波流速儀系數，可使電波流速儀得到更好更精準的應用，也可以解決山溪性河流中高水測驗這一大難題。

根據2019年和2020年手持電波流速儀與轉子式流速儀和走航式ADCP在祁門、新亭、休寧水文站的應用情況，將各水文站基于同一水位下電波流速儀和走航式ADCP、轉子式流速儀的測驗成果進行整理與分析比較，建立相關關系并進行誤差分析，以分析電波流速儀系數的使用情況。

3 測驗概況

祁門水文站：地處鄱陽湖流域饒河水系大洪水上游，集水面積382km2，2020年實測最高水位116.61m，相應流量1500m3/s。本站測驗河段順直，主槽河床質為卵石和巖石，斷面無較大沖淤變化，右岸為自然斜坡，岸頂是省道公路，左岸為人工岸，岸頂是農田及居民房屋。高水受下游彎道控制，水位流量關系呈單一線和臨時曲線型。高水時主要采用纜道流速儀法、比降面積法和電波流速儀法3種測洪方案。但前兩種方法局限性大，洪水時河道內大型漂浮物多，用纜道流速儀測流鉛魚入水時間長，危險性較大；比降面積法因水流浪大，會導致觀測誤差增大。近兩年也曾在合適的測流時機選用走航式ADCP測流。

新亭水文站：地處錢塘江流域新安江水系峽溪，集水面積184km2，實測最高水位168.27m，發生于1973年，相應流量1310m3/s。中高水受下游彎道控制，測驗河段順直，中高水主槽寬約60m。主槽由卵石組成，右岸灘地由砂卵石組成。水位流量關系多呈單一線和臨時曲線型。測洪主要采用纜道流速儀法、浮標法和電波流速儀法。但因為站內纜道改造后架設偏高，高水時流速儀入水受水流沖擊常出現鉛魚躍出水面的現象，現在纜道流速儀已難以測到中高水的流速。浮標法受條件限制上下測流斷面不過100m，且岸邊竹子生長也影響浮標觀測。

休寧水文站：屬錢塘江流域新安江水系橫江干流，匯入新安江，集水面積869km2，實測最高水位140.81m，相應流量2900m3/s，出現于2020年，水位流量關系比較穩定。高水受下游彎道控制，斷面主槽河床質為卵石和巖石，右岸為自然斜坡，左岸為漿砌塊石防洪護岸，河底有水草，沖淤變化小。休寧站為新建中小河流防汛專用水文站，沒有架設纜道，難以率定糙率和浮標系數。

4 手持電波流速儀工作原理與流量計算

Stalker Ⅱ SVR手持電波流速儀是專業的水面流速測速儀器。其通過遠距離不接觸水面發射雷達波，雷達波遇到運動的水面形成回波被接收，繼而通過智能水面回波頻譜分析算法計算出水面流速。

通過計算部分水面平均流速、部分面積、部分流量從而得到斷面虛流量，由于水面平均流速不能代表斷面平均流速，實際河道斷面流量還需要經過電波流速儀系數進行換算得到。

5 手持電波流速儀系數分析

2019年和2020年間，祁門水文站使用過型號為SV002116和SV001952的兩臺電波流速儀；新亭水文站使用過型號為SV003505和SV001952的兩臺電波流速儀；休寧水文站使用了型號為SV001952的電波流速儀。表1為各水文站比測資料，范圍覆蓋了100～1000km2流域面積站的中高水多個水位級。

5.1 同一水文站使用不同電波流速儀比測結果分析

祁門、新亭水文站分別在中低水時使用了兩臺電波流速儀，高水時兩個水文站分別只用1臺電波流速儀，休寧水文站低、中、高水時用的都是祁門、新亭水文站中低水時用的SV001952流速儀。

由表1可知，祁門水文站在水位111.45～111.95m時，SV001952流速儀的比測系數均值為0.83，系數波動相對較小。SV002116流速儀比測系數均值0.90，變動范圍0.81～0.97，系數波動較大。兩臺儀器測量結果相差較大，系數均值相差5%左右；新亭水文站低水(水位163.00m以下)時SV001952和SV003505兩臺儀器測量結果相近，比測系數均值均為0.81且波動較小。

表1 祁門、新亭和休寧水文站電波流速儀比測數據

續表

由此可見，同一個水文站在使用不同的電波流速儀時，有的比測系數差異較大，有的差異較小，比測系數穩定與否，不僅與水文站測驗環境有關，還與儀器性能相關，電波流速儀在制造過程中使用的軟硬件或集成度等的不一致性也會對測驗成果造成影響。

5.2 同一電波流速儀在不同水文站使用情況

SV001952流速儀在祁門、新亭、休寧3個水文站中、低水時都有使用，比測系數的均值分別為0.83、0.81、0.85，差異不大。

5.3 同一水文站在不同水位級使用相同電波流速儀情況

建立祁門、新亭、休寧水文站電波流速儀系數與水位關系，見圖1。由圖1可知，3個水文站的比測系數基本在0.80～1.00之間，比測系數隨水位級分布呈兩個明顯帶狀，且隨著水位升高均有增大的趨勢。如祁門按水位112.00m、休寧按水位137.50m為界分成兩個區間，并取同區間的比值系數均值進行比較，可以看出存在規律。

圖1 祁門、新亭、休寧水文站電波流速儀系數與水位關系

祁門水文站SV002116流速儀測量的水位級為110.60～115.40m，當水位在112.00m以下時，比測系數為0.81～0.97，變化較大，比測系數均值0.90；水位在112.00m以上時，比測系數基本在0.90以上且變動較少，比測系數均值0.93。用比測系數均值代替單次率定比值成果反推流量并與真值比較，相對誤差基本在5%以下，少數點次誤差近10%。

休寧站水位低于137.50m時，比值系數均小于0.90，比值系數均值為0.85；當水位高于137.50m時，比值系數均大于0.90，比值系數均值為0.95。用比測系數均值代替單次率定比值成果反推流量與真值的相對誤差基本都在5%以下。

分析其原因是各站在使用手持電波流速儀測流時，均是站在橋上向上游水面發射信號。由于橋跨結構有一定厚度，會一定程度阻礙過水。水位越高時，洪水淹沒橋洞面積越大，橋梁阻水、壅水使水流在橋墩附近收縮下沉，大大減小了水面流速，導致電波流速儀法測算出的流量偏小，比測系數普遍偏大。

6 結 論

經以上不同水文站、不同流速儀所測數據比較，得出以下結論：

a.手持電波流速儀對黃山地區河道測洪有較好的適應性，是用于中高水測驗的有效方法。為保證手持電波流速儀測驗成果可靠，切忌盲目使用出廠系數。

b.中低水時比測系數在0.80～0.85之間，同一電波流速儀在不同的測驗斷面使用，受測驗環境影響較小，新用站可以借用其他站比值。

c.同一電波流速儀在同一測站使用時，比測系數在不同的水位級變化也較大。各站使用的電波流速儀應相對固定，且在不同洪水等級進行多次比測，分析變化規律以供使用。當水位達到中高等級時，各站的比測系數大多在0.90以上，比測系數逐漸穩定，比測結果可以外延使用到高水。

d.中高水時不同的電波流速儀、不同的測站比測系數變化較大，需分別率定使用。

7 思考與建議

手持電波流速儀在河道斷面流量測驗中，能避開水面漂浮物多、含沙量大和水流湍急等測驗難題，操作便捷安全，在野外測驗尤其是搶測洪水時是非常合適的測驗設備，彌補了轉子流速儀、比降面積等傳統測驗方法的不足，但在實際應用中對系數的采用需謹慎。

測站在條件允許的情況下，宜使用固定的手持電波流速儀。為及時獲得洪水測驗成果，測站應在汛前選擇并測量手持電波流速儀測驗斷面；洪水過后，也應當及時對斷面進行復測，以保證成果準確。當發生洪水時，要根據洪水情況合理分析率定系數。同時為了應對儀器損壞等需要換手持電波流速儀的突發情況，測站在前期應率定出現有的不同電波流速儀在自己測站的系數，以保證測驗成果準確可靠。