電波流速儀在大興鎮水文站洪水測驗中的應用

吳曉東，任晨曦，徐舜天

（1.江蘇省水文水資源勘測局連云港分局，江蘇 連云港 222004；2.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，山東 濟南 250100；3.云南農業大學 水利學院，云南 昆明 650500）

大興鎮水文站位于山東省臨沭縣大興鎮大興一村，屬國家重要水文站，是淮河流域性河道新沭河干流重要控制站，也是石梁河水庫防汛調度的重要報汛站及水文預報重要站。站址斷面以上控制流域面積5 108 km2。本站主要監測水位、流量、降水量、含沙量和水質等水文要素，常規測驗利用纜道采用轉子流速儀法進行水文測驗；在常規測流斷面上游約0.84 km處有大橋，為輔助斷面，測驗方法為電波流速儀法。近年來大興鎮水文站連續遭遇洪水過程，防汛形勢愈發嚴峻，常規的轉子流速儀法測驗受到極大挑戰。因此在大興鎮水文站洪水期間開展電波流速儀測驗是十分必要。

1 測驗原理和方法

1.1 測驗原理

電波流速儀法采用電波雷達槍開展流速測驗，主要基于多普勒效應對水流表面流速進行測定。電波流速儀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，可較快的測定水面平均流速。

電波雷達槍可實現5 h以上連續工作，能滿足多次測流的要求，且設備內置傾斜傳感器，可以對水平改正角和仰俯角進行手動選擇和自動改正，確保測驗精度。另外在異常天氣條件下具有防雨淋的功能，適用性較強。

1.2 測驗方法

1）測驗斷面。大興鎮水文站電波流速儀橋測斷面位于纜道測驗斷面上游約0.84 km處，兩個斷面之間河道順直，斷面形狀基本一致，在中高水期間河道水面寬度超200 m，斷面詳情見圖1。

圖1 電波流速儀橋測大斷面圖

2）測速垂線。電波流速儀測驗斷面測速垂線與纜道測驗斷面測速垂線布置完全一致，按每10 m間距布設一條垂線，并將測驗位置在大橋上標注好。

3）流速測驗。打開儀器開關，設置好儀器參數，調整好水平方位角和俯角，將電波流速儀探頭瞄準到測流斷面垂線上，即開始流速測定工作。初始發射時間維持在10 s，此后每間隔5 s進行一次觀測，一般測流時間控制在1 min以內完成。流速測驗完成后，需現場根據流速曲線分布圖和斷面圖分析流速合理性，對已測流速與實際流速不符的需要重新測驗。

2 比測成果

近年來，大興鎮水文站連續遇到超標洪水考驗，其中2020年該站測得歷史最大流量6 080 m3/s，測驗斷面平均流速超4 m/s。2020—2021年，大興鎮水文站針對纜道轉子流速儀法和電波流速儀法同步開展了8次比測試驗，水位、流量覆蓋中高水位。具體比測成果見表1。

表1 均值系數法確定的流速系數成果表

3 分析率定

3.1 均值系數法

按照式（1）計算各測次的流速系數K0，然后取均值，得到電波流速儀綜合水面流速系數K，相關成果見表1。由表1知綜合流速系數K為1.03。

3.2 線性相關法

對纜道斷面平均流速與電波流速儀表面流速建立相關關系，求解回歸方程，見式（2）。

式中：c為常數；K為系數，當c為0時，K即為流速系數。

根據實測成果，繪制斷面平均流速與電波流速儀表面流速關系線見圖2，經線性函數回歸分析并定線，結果為：Y=1.019 5X，相關系數R2=0.999 3。式中，Y為斷面實測斷面平均流速，m/s；X為電波流速儀表面流速，m/s。

圖2 流速相關關系圖

通過采取相關分析法分析，電波流速儀與纜道轉子流速儀測驗的流速之間相關關系較好，為顯著相關。

3.3 率定成果及誤差分析

本文針對兩種計算方法比測率定成果進行三項檢驗，計算系統誤差、標準誤差及隨機不確定度，成果見表2。

表2 比測率定分析成果

由表2可見，兩種方法比測率定的成果通過三項檢驗，但誤差和隨機不確定度存在一定的差異。按照《水文資料整編規范》（SL247-2012）對流速儀法測驗的精度相關規定，均值系數法比測率定分析成果達到三類精度水文站的精度指標要求，線性相關法比測率定分析成果達到一類精度水文站的精度指標要求。

3.4 流速系數確定

通過分析，電波流速儀與纜道轉子流速儀的測驗成果是密切相關的。從比測率定成果和精度指標來看，線性相關法的計算成果滿足大興鎮水文站作為一類精度水文站的相關要求。在水文資料整編中，一般將流速系數取值為小數點后兩位，因此，大興鎮水文站電波流速儀流速系數確定為1.02。

4 結語

1）根據比測率定試驗，電波流速儀在大興鎮水文站洪水測驗應用過程中相關成果滿足該站一類精度水文站的相關精度，符合水文測驗規范要求，即電波流速儀應用于大興鎮水文站洪水測驗是可行的，該站電波流速儀的流速系數為1.02。

2）測驗過程盡可能避開大雨、暴雨期間，同時測驗操作過程中應將俯角調整到對降雨影響最小的60°。

3）建議不斷補充完善大興鎮水文站不同水位級和流量級的比測分析工作，進一步優化電波流速的流速系數，不斷提高工作效率，積極為地區防汛抗旱提供準確水文數據和水文情報預報。

4）電波流速儀與側掃雷達測流儀原理相同，電波流速儀的成功應用對大興鎮水文站后期開展的側掃雷達實時在線測流的推廣應用具有較好的參考意義。