電波流速儀在中小河流應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

梁秋明

（來(lái)賓水文中心，廣西 來(lái)賓 546100）

1 電波流速儀概述

1.1 工作原理

比測(cè)儀器使用SVR（德卡托）電波流速儀。SVR（德卡托）電波流速儀是利用雷達(dá)多普勒效應(yīng)，以無(wú)接觸的方式測(cè)量水面流速，并通過(guò)對(duì)水面系數(shù)的換算得到河流流量，是專(zhuān)為測(cè)量水面速度而設(shè)計(jì)的一種新型儀器，適合于溪流及中小河流的測(cè)量工作。

工作原理主要由電波流速儀探頭發(fā)出一個(gè)微波能量束（無(wú)線(xiàn)電波），當(dāng)這個(gè)波的能量撞擊水面時(shí)，波能量的一小部分返回到雷達(dá)設(shè)備天線(xiàn)，返回信號(hào)的頻率變化與目標(biāo)速度成比例，根據(jù)發(fā)射和返回信號(hào)頻率的不同，測(cè)定水面流速（見(jiàn)圖1）。參照均勻浮標(biāo)法，測(cè)定多條垂線(xiàn)的水面流速，按照流速面積法計(jì)算斷面虛流量Q虛，乘以斷面平均水面流速系數(shù)，得到斷面流量Q實(shí)。

圖1電波流速儀測(cè)速示意圖

1.2 應(yīng)用條件

測(cè)量時(shí)俯角（見(jiàn)圖2）不要大于45°，水平角不大于60°，由于內(nèi)部?jī)A斜傳感器很靈敏，測(cè)量過(guò)程應(yīng)保持電波流速儀姿態(tài)穩(wěn)定、不震動(dòng)，盡可能接近水面，精度會(huì)更高（因?yàn)殡姴魉賰x接收返回信號(hào)的強(qiáng)弱，和探頭、水面距離以及波浪大小有直接關(guān)系）。

圖2 俯角定義示意圖

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量范圍0.2～18 m/s；測(cè)量精度0.1 m/s；發(fā)射角12°；環(huán)境溫度-30～+70℃；電波頻率34.7 GHz；功率50 mW。

2 比測(cè)斷面概況

比測(cè)在七洞水文站進(jìn)行，七洞水文站是專(zhuān)用水文站，為三類(lèi)精度水文站，位于紅水河一級(jí)支流北之江中上游，于2016年建成，集雨面積988 km2，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有水位、雨量、流量。實(shí)測(cè)最高水位145.62 m，最低水位142.77 m，多年平均水位143.30 m，警戒水位146.0 m，河道平均坡降2.59‰，易形成水面波浪。

走航式ADCP監(jiān)測(cè)斷面位于七洞水文站基本水尺斷面，電波流速儀監(jiān)測(cè)斷面設(shè)在公路橋上游28 m處，位于基本水尺斷面上游50 m，斷面寬約70 m，中泓分布在起點(diǎn)距20～30 m之間，兩個(gè)斷面河道順直，中間無(wú)支流匯入，無(wú)岔流分流，因此，電波流速儀斷面水位應(yīng)用基本水尺斷面水位。對(duì)電波流速儀測(cè)流斷面進(jìn)行大斷面測(cè)量，根據(jù)大斷面和流速分布情況在起點(diǎn)距13.3、18.8、22.2、27.7、33.2 m處設(shè)置5條電波流速儀測(cè)速垂線(xiàn)，在公路橋上標(biāo)記測(cè)速垂線(xiàn)位置，測(cè)量橋面到電波流速儀測(cè)流斷面的水平距離。電波流速儀測(cè)流斷面大斷面圖見(jiàn)圖3。

圖3 電波流速儀測(cè)流斷面大斷面圖

3 比測(cè)過(guò)程及成果分析

3.1 資料收集

本次比測(cè)，采用2017年6～7月七洞水文站河段兩次明顯的漲水過(guò)程，10次流量（其中漲水面6次、退水面1次、平水期3次）比測(cè)成果進(jìn)行分析。比測(cè)率定水位范圍144.45～145.48 m，實(shí)測(cè)虛流量范圍204～385 m3/s，最小垂線(xiàn)流速0.80 m/s，最大垂線(xiàn)流速2.40 m/s，ADCP實(shí)測(cè)流量范圍165～318 m3/s。

3.2 比測(cè)成果

分別計(jì)算不同測(cè)次電波流速儀水面系數(shù)K，計(jì)算平均水面系數(shù)。水面系數(shù)計(jì)算公式為K=Q/Q0，式中：K為電波流速儀水面系數(shù)；Q為ADCP實(shí)測(cè)流量，m3/s；Q0為電波流速儀虛流量，m3/s。計(jì)算成果見(jiàn)表1，電波流速儀平均水面系數(shù)K為0.77。

表1 七洞水文站電波流速儀水面系數(shù)計(jì)算成果表

3.3 比測(cè)成果分析率定

采用水面系數(shù)K=0.77與電波流速儀虛流量計(jì)算相應(yīng)流量，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)流量與ADCP實(shí)測(cè)流量的相對(duì)誤差，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 七洞水文站電波流速儀相應(yīng)流量與ADCP實(shí)測(cè)流量誤差計(jì)算成果表

由表2可知，電波流速儀相應(yīng)流量與ADCP實(shí)測(cè)流量相對(duì)誤差最小為-0.43%，最大為-8.23%，平均誤差為6.35%，單次流量測(cè)驗(yàn)誤差均小于《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）規(guī)定的三類(lèi)精度水文站，單次流量測(cè)驗(yàn)中水10%、高水9%的允許誤差，滿(mǎn)足精度要求。

3.4 精度評(píng)定及誤差分析

對(duì)ADCP實(shí)測(cè)流量和電波流速儀相應(yīng)流量進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線(xiàn)檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，并計(jì)算系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度，結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）定線(xiàn)精度指標(biāo)要求，三類(lèi)精度水文站單一線(xiàn)精度指標(biāo)為系統(tǒng)誤差±2%，浮標(biāo)法測(cè)流定線(xiàn)隨機(jī)不確定度指標(biāo)為13%～15%。從表3可知，ADCP實(shí)測(cè)流量和電波流速儀相應(yīng)流量關(guān)系曲線(xiàn)，系統(tǒng)誤差為0.6%，隨機(jī)不確定度為10.8%，三項(xiàng)檢驗(yàn)合格，誤差滿(mǎn)足精度指標(biāo)要求。

表3 七洞站ADCP實(shí)測(cè)流量～SVR相應(yīng)流量關(guān)系曲線(xiàn)檢驗(yàn)計(jì)算表

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)比測(cè)，結(jié)果表明七洞站采用電波流速儀法在相應(yīng)水位、流量適用范圍內(nèi)進(jìn)行中、高洪流量測(cè)驗(yàn)是可行的。七洞水文站電波流速儀法流量計(jì)算公式為：Q＝0.77 Q0，其中Q為實(shí)測(cè)流量，Q0為電波流速儀虛流量。其適用條件為：七洞水文站中洪（144 m）以上水位時(shí)，可采用SVR電波流速儀施測(cè)流量，測(cè)速起點(diǎn)距為13.3、18.8、22.2、27.7、33.2 m，適用流量為204～385 m/s。

（2）采用電波流速儀開(kāi)展流量測(cè)驗(yàn)，需選在有一定流速（本文最小流速0.8 m/s），有一定波浪的斷面施測(cè)。

（3）電波流速儀測(cè)流過(guò)程中受車(chē)輛過(guò)往震動(dòng)影響、降雨影響較大，建議對(duì)每個(gè)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，因車(chē)輛過(guò)往和降雨影響出現(xiàn)特大或特小值應(yīng)剔除。