電波流速儀在中小河流應急監測中的應用

梁秋明

（來賓水文中心，廣西 來賓 546100）

1 電波流速儀概述

1.1 工作原理

比測儀器使用SVR（德卡托）電波流速儀。SVR（德卡托）電波流速儀是利用雷達多普勒效應，以無接觸的方式測量水面流速，并通過對水面系數的換算得到河流流量，是專為測量水面速度而設計的一種新型儀器，適合于溪流及中小河流的測量工作。

工作原理主要由電波流速儀探頭發出一個微波能量束（無線電波），當這個波的能量撞擊水面時，波能量的一小部分返回到雷達設備天線，返回信號的頻率變化與目標速度成比例，根據發射和返回信號頻率的不同，測定水面流速（見圖1）。參照均勻浮標法，測定多條垂線的水面流速，按照流速面積法計算斷面虛流量Q虛，乘以斷面平均水面流速系數，得到斷面流量Q實。

圖1電波流速儀測速示意圖

1.2 應用條件

測量時俯角（見圖2）不要大于45°，水平角不大于60°，由于內部傾斜傳感器很靈敏，測量過程應保持電波流速儀姿態穩定、不震動，盡可能接近水面，精度會更高（因為電波流速儀接收返回信號的強弱，和探頭、水面距離以及波浪大小有直接關系）。

圖2 俯角定義示意圖

1.3 主要技術指標

測量范圍0.2～18 m/s；測量精度0.1 m/s；發射角12°；環境溫度-30～+70℃；電波頻率34.7 GHz；功率50 mW。

2 比測斷面概況

比測在七洞水文站進行，七洞水文站是專用水文站，為三類精度水文站，位于紅水河一級支流北之江中上游，于2016年建成，集雨面積988 km2，監測項目有水位、雨量、流量。實測最高水位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監測斷面位于七洞水文站基本水尺斷面，電波流速儀監測斷面設在公路橋上游28 m處，位于基本水尺斷面上游50 m，斷面寬約70 m，中泓分布在起點距20～30 m之間，兩個斷面河道順直，中間無支流匯入，無岔流分流，因此，電波流速儀斷面水位應用基本水尺斷面水位。對電波流速儀測流斷面進行大斷面測量，根據大斷面和流速分布情況在起點距13.3、18.8、22.2、27.7、33.2 m處設置5條電波流速儀測速垂線，在公路橋上標記測速垂線位置，測量橋面到電波流速儀測流斷面的水平距離。電波流速儀測流斷面大斷面圖見圖3。

圖3 電波流速儀測流斷面大斷面圖

3 比測過程及成果分析

3.1 資料收集

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

3.2 比測成果

分別計算不同測次電波流速儀水面系數K，計算平均水面系數。水面系數計算公式為K=Q/Q0，式中：K為電波流速儀水面系數；Q為ADCP實測流量，m3/s；Q0為電波流速儀虛流量，m3/s。計算成果見表1，電波流速儀平均水面系數K為0.77。

表1 七洞水文站電波流速儀水面系數計算成果表

3.3 比測成果分析率定

采用水面系數K=0.77與電波流速儀虛流量計算相應流量，統計相應流量與ADCP實測流量的相對誤差，計算結果見表2。

表2 七洞水文站電波流速儀相應流量與ADCP實測流量誤差計算成果表

由表2可知，電波流速儀相應流量與ADCP實測流量相對誤差最小為-0.43%，最大為-8.23%，平均誤差為6.35%，單次流量測驗誤差均小于《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）規定的三類精度水文站，單次流量測驗中水10%、高水9%的允許誤差，滿足精度要求。

3.4 精度評定及誤差分析

對ADCP實測流量和電波流速儀相應流量進行符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗，并計算系統誤差、隨機不確定度，結果見表3。

根據《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）定線精度指標要求，三類精度水文站單一線精度指標為系統誤差±2%，浮標法測流定線隨機不確定度指標為13%～15%。從表3可知，ADCP實測流量和電波流速儀相應流量關系曲線，系統誤差為0.6%，隨機不確定度為10.8%，三項檢驗合格，誤差滿足精度指標要求。

表3 七洞站ADCP實測流量～SVR相應流量關系曲線檢驗計算表

4 結語

（1）通過比測，結果表明七洞站采用電波流速儀法在相應水位、流量適用范圍內進行中、高洪流量測驗是可行的。七洞水文站電波流速儀法流量計算公式為：Q＝0.77 Q0，其中Q為實測流量，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，可采用SVR電波流速儀施測流量，測速起點距為13.3、18.8、22.2、27.7、33.2 m，適用流量為204～385 m/s。

（2）采用電波流速儀開展流量測驗，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。

（3）電波流速儀測流過程中受車輛過往震動影響、降雨影響較大，建議對每個反饋數據進行甄別，因車輛過往和降雨影響出現特大或特小值應剔除。