馬渡王水文站電波流速儀（手持式）水面流速系數分析報告

崔 俊

（西安水文水資源勘測中心,陜西 西安 710100）

1 前言

馬渡王水文站中低水采用流速儀法施測流量,中高水采用纜道鉛魚施測流量。在洪水漲落急劇,含沙量大,漂浮物多等復雜水情下,流速儀難以施測,浮標成活率低,采用電波流速儀施測水面流速,可以彌補浮標法測流成活率低的缺陷,為科技含量較高的測流方法。為了使電波流速儀盡快投入使用,需對電波流速儀水面系數進行率定。

馬渡王水文站開始進行電波流速水面系數率定工作,即在吊箱纜道采用流速儀測流同時,電波流速儀施測水面流速。

2 概況

2.1 測站基本情況

馬渡王水文站位于西安市東郊灞橋區席王街道辦事處馬渡王村,流域面積2577 km2,測站控制集水面積1601 km2,控制河長73.9 km,河流平均比降5.98‰。馬渡王水文站為灞河下游控制站,系二類精度水文站,省級重要站,國家基本站。1952 年6 月陜西省水利局設立,站址在藍田縣的新街鎮,故站名為新街鎮水文站；1956 年6月5日將站址遷至西安市馬渡王,改站名為馬渡王水文站,該站地處白鹿塬北坡下,灞河是渭河南一級支流,為灞河中游控制站,省級重要水文站。馬渡王水文站實測最大流量1480 m3/s（1982.8.1）,次大實測流量1140 m3/s（1965.7.21）,第三大實測流量998 m3/s（2011.9.11）,實測最小流量0.060 m3/s,多年平均流量14.4 m3/s；多年平均徑流量4.417 億m3,多年最大徑流量10.5億m3,多年最小徑流量1.251 億m3,多年平均降水量617.1 mm；多年最大降水量999.0 mm,多年最小降水量364.0 mm。馬渡王水文站主要任務是收集灞河流域主要水文特征,掌握下游河段水量、沙量變化規律,分析研究灞河流域降雨徑流關系及產匯流規律,為內插不同流域水文特征提供基本數據,為灞河下游、黃河及三門峽庫區防汛提供水文情報、預報,為西安市防洪、河道治理、城市建設供水情服務。

2.2 流域概況

灞河發源于陜西省藍田縣灞源鎮麻界村,河流自東南流向西北,經藍田縣和西安東郊、北郊草灘匯入渭河。河長104 km,流域面積2582 km2,河流平均比降1.98‰。灞河支流有：輞川河、零河、紅河、灞河。多年平均徑流量4.543億m3,多年平均降雨量為617.1 mm,年平均氣溫17.9℃。

2.3 測驗斷面

該站地處渭河南岸白鹿塬北坡下,屬灞河中游控制站。測驗段面順直,斷面河床由沙卵石組成。基本水尺斷面以上400 m處有一滾水壩,基本斷面下5 m靠左岸處有一雞心灘；基下300 m有一灣道,高水時有雍水現象。

測驗斷面分別有上、中、下三個測驗斷面,中斷面為基本水尺斷面,同時流速儀測流斷面及浮標中斷面和比降斷面在同一斷面,上、下斷面相距200 m,基本斷面架設有吊箱鉛魚纜道,用于測驗高、中、低水流量、泥沙的作業,該站無浮標投放設備。

3 電波流速儀的測量原理及技術指標

3.1 測量原理

手持式多普勒流速儀/流量測定儀,利用多普勒原理可測量非滿管（圓管、蛋形管或其它異形管）流量,即向水中發射固定頻率的聲波短脈,可提供瞬時流量值和累計流量值,儀表內置256 M數據存儲空間,外置4GSD卡存儲器傳感器可在惡劣的現場和污水水質下長期工作,有短信或GPRS無線模塊實現遠程遙測。

電波流速儀提供測驗瞬時流量值和累計流量值速,通過水面流量速度系數轉換計算成為垂線平均流速,從而達到計算流量的目的,電波流速儀使用條件為具有橋梁、纜道吊箱的水文站使用,單只流速傳感器,安裝方便適合市政污下水管渠道、不滿管管道、各種渠道、不規則河道、天然溪、排污口等流量測量并可隱蔽安裝,可以做到長期穩定可靠工作。

3.2 電波流速儀功能介紹

1）可供單人使用,重量小于700 g,便于攜帶。

2）內置角度感測器,可以自動修正垂直角和水平角度,內置溫度傳感器,方便溫度檢測。

3）多種測量模式,可單次測量,也可連續測量。

4）LCD顯示屏顯示測驗數據。

5）計時分辨率達到0.1 s,符合水文測驗規范。

6）通過選擇水流方向,排除逆流干擾。

7）數據寄存器暫存10 個流速數。

3.3 電波流速儀指標

1）測速范圍：0.03 m/s~20 m/s；

2）測速精度：±0.04 m/s；

3）計時范圍：0~100 s；

4）電波頻率：24 GHz

5）電波發射角：12°；

6）工作頻率：Ka波段(34.7GHz）；

7）微波功率：50 mW；

8）工作溫度：-30℃~+70℃；

9）最大測程：100 m；

10）供電方式：可拆卸式鋰電池手柄,正常工作8小時；

11）充電時間：3 小時, 必須在0~+45℃環境溫度中充電。

4 比測資料收集

4.1 資料選用

馬渡王水文站開展電波流速儀水面系數率定分析工作,取得10次比測資料。全部采用精測法。比測流量最大值為335 m3/s,相對應水位427.52 m,流量最小值25.4 m3/s,相對應水位值為424.14 m,實測得到最大流速為4.21 m/s,實測最大水深4.3 m,流速儀比測資料見表1。

表1 馬渡王水文站電波流速儀比測資料

4.2 資料一致性分析

馬渡王水文站電波流速儀和流速儀在吊箱上同時比測,手持式電波流速儀主要手持工作,手持工作過程中存在無法固定測量出現搖晃現象,所以作業結果會有一些合理誤差。

4.3 資料合理性檢查

測流結束后檢查觀測記錄,輸入計算機計算,嚴格執行“四隨”工序,比測資料計算正確無誤,通過資料審查驗收,精度滿足不了比測要求。

4.4 比測資料系列

共收集比測資料10 次,10 次分析計算系列,屬階段性比測。

5 電波流速儀水面流速系數分析計算

5.1 分析依據

依據《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）流速系數的確定應符合下列規定：

電波流速儀水面流速系數應由流速儀法施測資料分析確定。

5.2 電波流速儀水面流速系數的分析方法。

5.2.1 平均值法

通過10 次對比測數據分析斷面手持式電波流速儀的斷面平均流速,計算公式：

式中：K為手持式電波流速儀水面流速系數；V電為電波流速儀斷面平均流速；V流為流速儀斷面平均流速。

分別計算得出各次電波流速儀水面流速的系數,為平均值,計算得電波流速儀水面流速系數為0.54。馬渡王水文站流速儀水面流速系數計算表見表2。

表2 馬渡王水文站電波流速儀水面流速系數計算表

5.2.2 相關曲線法

通過10次比測資料的斷面平均流速與電波流速儀斷面平均流速,得到相關關系,繪制電波流速儀斷面平均流速流速與儀斷面平均流速相關關系圖,計算得出相關系數為0.54。

5.2.3 回歸方程法

依據馬渡王水文站10次比測資料,采用回歸方程法計算電波流速儀水面流速系數,計算回歸方程為y=0.54x,相關系數為0.54,相關關系為0.12。其相關點據比較稀疏,分布相對較散亂。

5.2.4 電波流速儀水面流速系數的確定

通過對馬渡王水文站電波流速儀比測資料進行分析,分別采用均值法、相關曲線法和回歸方程法進行分析計算,均值法系數為0.54；相關曲線法系數為0.54；回歸方程法系數為0.54,三種分析方法結果一致,綜合三種分析計算結果,馬渡王水文站電波流速儀階段性水面流速系數確定為0.54。

5.3 相關系數檢驗評定

5.3.1 相關曲線的三項檢驗

對建立的相關曲線做三項檢驗,即偏離數值的合理性檢驗、適線檢驗和符號檢驗,符號檢驗顯著性水平α選用0.25,偏離數值顯著性水平α選用0.20,適線檢驗顯著性水平α選用0.10。經計算相關曲線的標準差為19.1%,隨機不確定度為38.2%,系統誤差為10.4%,檢驗結果還不滿足中華人民國行業標準《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）要求,計算結果見表3。

表3 灞河 馬渡王水文站電波流速儀相關關系線檢驗表

5.3.2 電波流速儀水面流速系數質量評定

通過比測資料分析計算,馬渡王水文站電波流速儀水面流速系數確定為0.54,利用該站10 次比測資料進行合理性檢驗,檢驗結果還滿足不了規范要求。

檢驗分析結果表明,電波流速儀性能比較穩定,操作方便,測量精度高,可以代替浮標法進行流量測驗。測驗質量滿足水文規范要求,該儀器可作為水文站的常規流量測驗儀器。

6 存在問題

1）比測的率定采用吊箱流速儀與吊箱人工手持電波流速儀同步測速方法,因受水流條件影響,洪水漲落急劇,漂浮物多,中高水比測困難,比測資料偏少。

2）馬渡王水文站站斷面為寬淺河床,流量為335 m3/s時,三條垂線水深已達4.21 m。其中37次流量為998 m3/s時,實測水深已達5.6 m,中高水流速儀精測法試驗資料無法施測。

3）現有的比測資料,水位變幅為：426.02 m~427.51 m,流量在28.7 m3/s~335 m3/s,變幅較小,資料較少,相關關系較差,有待以后繼續比測率定,在水流條件允許情況下,增加中高水精測法次數,提高比測試驗資料精度及系數的準確度。

7 結論

1）比測率定：比測率定采用吊箱流速儀法與吊箱人工手持電波流速儀同步測速。根據水流條件分別用精測法和常測法與電波流速儀同步比測。

2）比測率定資料系列：通過2013年的10次精測法,最大流量335 m3/s,最小流量25.6 m3/s,占全年要求比測的10%。

3）分析計算方法：報告通過均值法、相關曲線法及回歸方程法三種分析計算方法,各方法得出的系數基本一致和接近,系數確定采用三種方法均值。

4）電波流速儀水面系數：根據不同分析計算方法,馬渡王水文站電波流速儀水面流速系數確定為0.54。