靈口水文站手持電波流速儀水面流速系數試驗分析

樊軍文

（商洛水文水資源勘測中心,陜西 商洛 726000）

0 引言

電波流速儀法測流是《河道流量測驗規范》（GB 50179-2015）對流量測驗超出常規手段的高洪流量測驗時采用的方法之一,高洪流量測驗按“安全、高效、快捷”的原則,首選電波流速儀進行高洪測驗。《水文巡測規范》（SL 195-2015）在規范性附錄E中對電波流速儀測流進行了介紹,電波流速儀分為人工測速、自動測速、自動掃描式三種。人工測速的電波流速儀（手持式電波流速儀）需要人為操作,一次僅測量水面某一點流速。靈口水文站配備了一臺人工測速的手持電波流速儀。為了發揮電波流速儀的作用,確保高水發生時能安全、高效、快捷地測好洪水,需要對電波流速儀測量的水面流速計算的虛流量轉換成為實流量。如何將虛流量轉換成實流量,確定電波流速儀水面流速系數最為關鍵。本文借用《水文巡測規范》（SL 195-2015）、河南省地方標準《電波流速儀測流規程》（DB/T 2229-2022）、《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）對靈口水文站手持電波流速儀水面流速系數進行試驗分析,抓住中、高洪水發生時機,應用纜道轉子流速儀與手持電波流速儀同時測流,積累一定的試驗次數,率定出電波流速儀水面流速系數。

1 測速方法與系數試驗方法

1.1 測速方法

電波流速儀（手持式電波流速儀）一般架設在橋梁或穩定的水文吊箱上,正對水流測速,使其波束線與水面夾角不超出儀器測量的俯角允許值范圍。手持式電波流速儀一般只需手持對準水面就可測速。測速中,需要保持儀器穩定,傳感器軸線在水平方向上與流向的加角和俯角保持在規定范圍。

1.2 系數試驗方法

《水文巡測規范》（SL 195-2015）E7：用電波流速儀測量值計算垂線平均流速的水面一點法垂線平均流速系數宜使用轉子式流速儀法進行比測率定。

借用河南省地方標準《電波流速儀測流規程》（DB/T 2229-2022）對系數試驗提出要求：電波流速儀系數試驗應包含中、高水,試驗次數應不少于20次,且通過符合檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗。

采用直接比測法進行系數試驗：根據測驗斷面水面寬度及河底轉折變化情況,合理布設測速垂線；采用轉子式流速儀實測垂線流速,同時采用電波流速儀實測該垂線水面流速；計算代表垂線平均流速；垂線平均流速除以電波流速儀實測水面流速,計算出該垂線流速系數；根據每條垂線的流速系數,采用流量加權法計算全斷面綜合流速系數。

1.3 測速斷面選擇

（1）水文站基本斷面為轉子流速儀測速斷面。

（2）手持電波流速儀測流斷面選擇基本斷面下游150 m的跨河大橋附近斷面,借助大橋布設電波流速儀測流。根據儀器補償垂直角小于60°和有效測程的要求,保證精度前提下,選擇合適的測量位置；每個測驗點測速歷時不少于60 s。

1.4 流速測驗位置選擇

（1）轉子流速儀測驗,測速垂線數量及位置布設、流量計算符合《河道流量測驗規范》（GB 50179-2015）和《測驗任務書》規定。

（2）手持電波流速儀測驗,測速垂線數量及位置布設符合《河道流量測驗規范》（GB 50179-2015）的規定。

2 靈口水文站概況

靈口水文站建于1959年10月,位于南洛河上游,控制河長124 km,控制流域面積2476 km2,河流平均比降7.04%。建站以來發生3場較大洪水分別為：2003年8月28日洪水,實測最大流量3050 m3/s；2020年8月6洪水,實測最大流量2680 m3/s；2021年7月23日洪水,實測最大流量3140 m3/s,為建站以來最大洪水。

靈口水文站測驗河道順直,河床由卵石、粗砂組成。左岸為簡易河堤,右岸為公路簡易護基,河道主流一般集中在起點距20 m～80 m之間。

斷面下游150 m有跨洛河大橋一座,該大橋設計抗洪能力為100年一遇。之間無支流匯入,流量不變。

3 電波流速儀測驗斷面確定

根據電波流速儀測流規范,該儀器向水面反射一定頻率的電磁波（雷達波）,通過檢驗被水面反射回來的回波頻移的大小,由處理器解算水面流速的大小。儀器離水面距離應符合儀器安裝要求,傳感器軸線在水平方向上與流向的夾角不宜超過30°,俯角宜在22°～45°之間。

靈口水文站配備的手持電波流速儀SVR,IC：1270-GVPD,編號：SVR2-01683,符合在橋上測速。故選擇本斷面下游150 m的大橋開展試驗。

4 電波流速儀技術參數

SVR手持式表面測速雷達,測速原理：多普勒雷達；測速范圍：0.03 m/s～20 m/s；測速精度：±0.03 m/s；測速歷時：0～99.9 s；電波發射角：12°；電波發射標準功率：10 mW；電波頻率：24GHz；適用環境：全天候,雨天可正常測流；工作溫度：-30～+70℃；角度補償：水平、垂直角度自動；存儲大小：100個測量結果。

5 電波流速儀系數分析

5.1 試驗方法

在靈口水文站基本斷面采用纜道懸掛轉子流速儀施測流速的同時,在下游150m處的洛河大橋上用手持電波流速儀施測水面流速,采取流速儀法施測流量與電波流速儀施測流量,分析確定系數。

5.2 試驗次數

靈口水文站從2019年開始進行手持電波流速儀系數對比試驗,截止2021年共取得20次試驗資料,其中：2019年～2020年對比試驗9次；2021年對比試驗11次。

5.3 系數分析

流速系數及誤差計算結果見表1,試驗的20次成果跨度3年,包含中、高洪水,符合規范要求。分別計算斷面轉子流速儀實測流量和電波流速儀測速虛流量。以轉子流速儀計算的流量為分子,以電波流速儀計算的虛流量為分母,計算系數。取其20次系數的平均值,得到0.788。綜合分析取水面流速系數為0.8,計算電波流速儀實測流量,見表1。

表1 流速系數及誤差計算表

5.4 三項檢驗

依據《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）關系曲線檢驗有關規定,對采用水面流速系數為0.8計算的電波流速儀測流成果進行符號檢驗、適線檢驗、偏離檢驗。靈口站電波流速儀系數采用0.8計算流量成果三項檢驗表見表2。

表2 靈口站電波流速儀系數采用0.8計算流量成果三項檢驗表

5.5 成果分析

根據對比試驗的20次流量成果,經分析取電波流速儀水面流速系數為0.8,經符號檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗均合格。與靈口站已有的浮標系數、流速儀水面系數對比：該站均勻浮標水面系數0.85、中泓浮標水面系數0.71,流速儀水面系數0.9。基本測流斷面寬105 m左右,電波流速儀測流斷面寬150 m左右,斷面寬相差45 m,電波流速儀測流斷面與靈口站基本斷面相距150 m,斷面面積和水面流速均發生變化,電波流速儀水面流速系數0.8小于轉子流速儀水面流速系數和均勻浮標水面流速系數,符合規律性。

6 結論與注意事項

6.1 結論

通過分析得出電波流速儀測流水面流速系數為0.80。靈口水文站應用纜道流速儀無法完成實測流量時,應用手持電波流速儀橋上測流。當洪水威脅大橋安全時,為確保人身安全,職工不能上橋測流,改用浮標法測流。

6.2 注意事項

1）汛前及洪水過后及時施測電波流速儀測流斷面,設立水尺,標注起點距,為采用電波流速儀測流應用斷面作好準備。

2）職工應充分了解儀器性能,熟練掌握操作規程,努力減少人為誤差。

3）測流時保持手持電波流速儀穩定,減少抖動。

4）儀器偏角、俯角至少測量三次,取平均值。

5）儀器傳感器軸線在水平方向上與水流流向的夾角不宜超過30°,俯角保持在45°。

6）大風對水面流速有影響,不宜采用電波流速儀測速。

7）測量水面流速過程中,準確判斷主流并加測水面流速,確保最大流速不漏測。