淺析電波流速儀在水文站的應用

◎任新群

1 概述

臨潼水文站集水面積97299km2，為渭河下游干流控制站。該站洪水主要來源為渭河咸陽站以上干流及各支流來水，具有明顯的水沙異源特性。以渭河干流來水和灞河來水為主時，洪水相對平穩。以涇河來水為主時，洪水暴漲暴落，常規纜道測流速度較慢，應用電波流速儀施測水面流速速度快、安全性能高，可提高洪水測驗的時效性。

2 電波流速儀測量原理

電波流速儀測量原理采用多普勒效應，即聲波發生器向水中發射固定頻率的聲波短脈沖，這些聲脈沖碰到水中的散射體（浮游生物，泥沙等）將發生散射，被散射體反射回的聲波就會被接收器接收到。通過測量頻差，計算得到水流的速度。

3 比測資料

采用電波流速儀測水面流速與旋槳式流速儀測垂線流速進行比測率定，二者同步進行施測。采用纜道懸掛吊箱，人工手持電波流速儀，按電波流速儀操作要求測定不同垂線的水面流速。旋槳式流速儀測垂線平均流速是根據電波流速儀測速垂線的位置，采用纜道鉛魚固定流速儀測出相對應的垂線平均流速。

4 電波流速儀水面流速系數分析計算

4.1 電波流速儀水面流速系數分析計算

（1）均值法

根據臨潼站40次比測資料的斷面平均流速與電波流速儀指標流速，按K=Vm/V0.0式分別計算測次電波流速儀水面流速系數，取均值，計算得臨潼站電波流速儀水面流速系數為0.8215。式中：K=電波流速儀水面流速系數；Vm=流速儀斷面平均流速；V0.0=電波流速儀斷面水面流速。

（2）相關曲線法

根據斷面平均流速與電波流速儀斷面平均流速，建立相關關系，點繪流速儀斷面平均流速與電波流速儀斷面平均流速相關關系圖，計算出流速儀斷面平均流速與電波流速儀斷面平均流速相關系數為0.8648，見附圖1。

另根據垂線平均流速與電波流速儀水面流速，建立相關關系，點繪流速儀垂線平均流速與電波流速儀水面流速系數相關關系圖，計算出流速儀垂線平均流速與電波流速儀水面流速系數相關系數為0.8665，見附圖2。

（3）回歸方程法

采用流速儀斷面平均流速與電波流速儀斷面平均流速，采用回歸方程法分析計算電波流速儀水面流速系數。計算得臨潼站回歸方程為：V垂線=0.8247V電波，相關系數為 0.83，相關關系為0.9784，回歸方程見附圖1。

采用流速儀垂線平均流速與電波流速儀水面平均流速，采用回歸方程法分析計算電波流速儀水面流速系數。計算得臨潼站回歸方程為：

圖1 臨潼水文站電波流速儀水面流速系數相關圖（斷面平均流速）

圖2 臨潼水文站電波流速儀水面流速系數相關圖（垂線平均流速）

V垂線=0.8232V電波，相關系數為0.82，相關關系為0.9267；回歸方程見附圖2。

4.2 系數分析檢驗評定

對臨潼站相關曲線進行三項檢驗，即符號檢驗、適線檢驗和偏離數值合理性檢驗。符號檢驗顯著性水平α選用0.25，適線檢驗顯著性水平α選用0.10,偏離數值顯著性水平α選用0.20。

1 符號檢驗

（1）檢驗公式

式中：u——統計量；n——測點總數；K——正號或負號個數。

（2）檢驗方法與臨界值

符號檢驗是以實測流量總點數視為抽取的樣本資料容量，檢驗正、負號的概率是否滿足各為50%的假設條件，來判斷所定關系曲線是否合理。根據《水文資料整編規范》SL247-2012第 2.4.1.4條第 1款，顯著性水平α=0.25時，統計量為0.158，小于規范符號檢驗臨界值1.15。

2 適線檢驗

（1）檢驗公式

式中：u——統計量；n——測點總數；K——變換符號次數。

（2）檢驗方法

將各測點偏離曲線的正、負號（偏離值為零時，按0.5次計），依次與前一點的符號比較，相鄰兩點同號者記為0，異號者記為1，可得n-1個數號。如曲線與實測點配合良好，則出現0和1的機會相等，即假設變換符號“1”與不變換符號“0”的概率各為50%。再將測點總數n及變換符號次數K代入公式，與允許值進行比較，來判斷實測點與曲線的適線是否合理。根據《水文資料整編規范》SL247-2012第2.4.1.4條第 2款，顯著性水平α=0.10時，統計量為0.320，小于適線檢驗臨界值1.28。

3 偏離數值合理性檢驗

（1）檢驗公式

式中：Pi——測點與關系曲線的相對偏離值；n——測點總數；P平——平均相對偏離值；s P平——P平的標準差；s——P的標準差；t——統計量。

（2）檢驗方法

在目估定線時，用t檢驗法進行假設檢驗。如假設P的總體均值為0，則上式服從自由度為n-1的t分布。檢驗時，按上式計算t值，并與自由度為k為n-1的臨界值進行比較，判斷實測點與相關曲線偏離數值的合理性。根據《水文資料整編規范》SL247-2012第2.4.1.4條第 3款，顯著性水平α=0.20時，統計量為0.103，小于偏離數值合理性檢驗臨界值1.30。

5 結論與建議

（1）比測率定采用水文纜道流速儀與人工手持電波流速儀同步測速方法，因受洪水條件影響，洪水漲落急劇，漂浮物多，中高水比測困難，缺少高洪水比測資料，精測法資料較少。

（2）電波流速儀與流速儀比測試驗時，由于電波流速儀為手持式，比測時晃動較大存在一定的誤差。

（3）建議今后在洪水條件允許情況下，增加中高水比測資料，增加精測法次數，提高比測試驗資料精度及系數的精確度。陜西水利