雷達波流速儀在卡洛特工程專用水文站的應用

孫明元 黃晶晶

摘要：目前轉子式流速儀、ADCP等接觸式流量測驗儀器存在遇到大洪水及有漂浮物時無法施測的問題，且常規測驗方法測驗歷時長、儀器設備操作專業性強，不適合在安全形勢不穩定地區特殊水情出現時使用。雷達波流速儀作為一種非接觸式流量測驗儀器，具有操作簡單、使用機動靈活、測驗精度較高等特點，非常適合在境外水電工程水文測驗中使用。以巴基斯坦卡洛特水電工程流量測驗為例，分析了雷達波流速儀水面系數率定過程。在與LS25-3A流速儀比測后，相關分析表明，采用有截距的回歸方程能夠有效減小低水部分流量測驗誤差，提高雷達波流速儀測驗精度。雷達波流速儀作為一種備用方案，可用于專用水文站流量測驗。

關鍵詞：雷達波流速儀;流量測驗;卡洛特水電項目;巴基斯坦

中圖法分類號：P332.4

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.07.002

1 巴基斯坦卡洛特專用水文站概況

巴基斯坦卡洛特水電項目是“中巴經濟走廊”首批能源優先開發項目，備受國內外關注。巴基斯坦卡洛特專用水文站（以下簡稱“專用站”）位于壩址下游約2 km處，主要任務為在工程施工期收集水位、流量、泥沙、氣象等資料，滿足工程區水情預報和報汛需要。

專用站測驗河段具有典型的山溪性河流特征，落差大，中低水水面比降達3.1‰，河水陡漲陡落，水位年變幅約為10 m，2017年實測最大流速5.01 m/s。流量測驗斷面兩岸均為堅硬巖石，斷面穩定呈V形。

由于專用站距工程區域較遠，鑒于巴基斯坦的安全形勢，安保要求較高，測驗人員面臨一定的安全風險，在特殊情況下雷達波流速儀測流較其他測流方式具有明顯優勢。

2 雷達波流速儀簡介

雷達波流速儀是一種利用雷達波多普勒效應以非接觸方式測量水流表面流速的儀器。雷達波流速儀流量測驗在國內不同河流和環境進行了大量測試，測驗成果指標均符合水文測驗規范要求[1]。專用站使用的雷達波流速儀采用美國ACI公司S3 SVR雷達波測速探頭，應用無線遙控雷達波數字化測流系統開展流量測驗。

主要技術指標如下：

測速范圍：0.20～18.0 m/s;

測速精度：+0.05 m/s;

波束寬度：12。;

微波功率：50 mW;

微波頻率：Ka波段，34.7GHz;

無線模塊通信距離600 m。

無線遙控雷達波數字化測流系統由雷達波測速探頭、電動行車、無線信號傳輸裝置、測流軟件、簡易纜道等部分組成，通過岸上計算機使用測流軟件控制可以實現雷達波流速儀沿簡易纜道自動定位，自動測速，自動返回等一系列功能。

無線遙控雷達波數字化測流系統自動化程度高、操作簡便、測驗歷時短、可現場安裝，測驗完成后拆卸裝箱，攜帶方便，經過簡單培訓一個人即可獨立操作完成測驗任務。

3 雷達波流速儀流量比測試驗

為了提高流量測驗成果質量，雷達波流速儀在使用前需開展比測試驗，確定水面流速系數K值[2]。專用站于2017年5-12月開展了雷達波流速儀與LS25-3A流速儀流量比測試驗，期間共開展流量比測18次。比測時雷達波流速儀放置在水文纜道主索上游2m處的一根4.2 mm懸索上，雷達波探頭俯角保持45°固定，由電腦無線控制行車自動實現固定垂線測速，其固定垂線與纜道流量測驗垂線一致。同時水文纜道采用流速儀2點法施測流量，盡量保持兩者測驗平均時間重合。由于兩斷面相距較近，流量計算時采用LS25-3A流速儀測流斷面的大斷面成果，雷達波流速儀流量采用公式Q= 0.960Q雷 - 36.7計算，其中，Q雷為雷達波流速儀虛流量。比測范圍見表1。

全年水位變幅為10.04 m，雷達波流速儀流量測點主要分布在中低水區間，水位變幅占全年水位變幅的62%。

4 流速比測試驗分析

雷達波流速儀所測得的垂線水面虛流速V雷與垂線實際水面流速voo存在一定的關系[3]，由于專用站流量常規測驗方法為LS25-3A流速儀2點法，所以采用垂線相對水深0.2處的流速與雷達波流速儀測得流速繪制相關關系曲線。

選用LS25-3A流速儀流量測驗時水位變幅較小的9次成果，摘錄相同垂線雷達波流速儀測得水面虛流速V雷與LS25-3A流速儀在相對水深0.2處的流速V0.2，共48組流速數據繪制相關關系圖。詳細數據見表2。

通過分析，相關關系為帶截距的線性回歸方程，見圖1。雷達波測得的水面實際流速Voo按公式V0.0=0.839V雷+0.126計算（水面實際流速無法實測，近似認為水面以下0.2的流速與水面流速相同）。此方程表明，當雷達波流速儀測得的流速為零時，水面流速并不為零，雷達波測速探頭測得的流速與水面流速之間并不成正比例關系。這一點在雷達波測速儀應用相關的論文中可以得到印證[1-2]。

由此可以推斷，雷達波流速儀測得的水面虛流速與垂線平均流速存在如下關系：式中，Q為斷面實際流量;Q雷為雷達波虛流量; a為岸邊系數;A為斷面面積。

經過推導，可以得到雷達波流速儀計算的虛流量Q雷與斷面實際流量Q之間的關系式，因不光滑陡岸岸邊系數0.8對斷面面積A影響較小，故采用近似值bA。bA并非常數，而是一個隨水位變化的函數。實踐表明，斷面流量較小時，bA部分對斷面總流量影響較大;斷面流量較大時，bA部分對斷面總流量影響較小;故而在實際應用時可用一個綜合常數代替處理。

5 雷達波流速儀水面流速系數分析

2017年專用站共開展比測試驗18次，以LS25-3A流速儀測得流量為真值建立水位一流量關系。由于LS25-3A流速儀測流時間較長，一般為1.5 h左右，測流期間水位變幅可以達到10-20 cm，而雷達波流速儀測流時間較短，僅需20 min左右，若用LS25-3A流速儀法測得的流量與雷達波流速儀測得的虛流量直接建立相關關系分析水面流速系數會產生較大偏差。所以采用雷達波流速儀測得的虛流量與雷達波測流平均時間對應的LS25-3A流速儀關系曲線的查線流量建立相關關系，通過分析確定雷達波流速儀水面流速系數（見表3）。

通過分析，建立了兩種相關關系，第一種為不帶截距的直線關系（見圖2），另外一種是帶有截距的直線關系（見圖3）。利用兩種直線回歸方程分別計算雷達波流量相對誤差，直線回歸方程1在雷達波流速儀測得的虛流量小于550m3/s時會產生較大的相對誤差，最大達到了29.96%，虛流量越小相對誤差越大，無法滿足規范要求。而采用直線回歸方程2計算的雷達波流量，低水部分相對誤差明顯減小，高水部分相對誤差變化不大，系統誤差從4.5%降至0.6%。

用直線回歸方程2計算得到的流量繪制水位一流量關系曲線并進行3種檢驗，結果全部合格，系統誤差0.6%，標準差5.0%，隨機不確定度10.0%，滿足二類精度水文站單一曲線定線精度要求[5]。

通過分析最終確定Q= 0.960Q雷 - 36.7為專用站雷達波流速儀實測流量計算公式，流量測驗結束后通過式（4）計算雷達波流速儀虛流量，再通過上式計算實測流量，分析表明各項指標滿足流量測量精度要求，雷達波流速儀可以在卡洛特專用站投產使用。

6 結論

（1）通過一系列的分析表明，雷達波流速儀測得的虛流速與垂線平均流速之間的相關關系并不是正比例關系，通過建立的相關關系推斷雷達波流速儀測得的虛流速為零時水面流速并不為零。由此推斷，雷達波流速儀測得的虛流量與流量真值之間也不是簡單的正比例關系。

（2）在卡洛特專用水文站雷達波流速儀比測實驗中發現，相關關系Q=KQ雷得到的水面流速系數在低水部分會產生較大的偏差，不能滿足規范要求。而采用帶有截距的直線相關關系可有效地減小低水部分流量擬合的相對誤差，提高雷達波流速儀流量測驗精度。

（3）雷達波流速儀在卡洛特專用站的運用表明，雷達波流速儀具有測驗精度高、操作簡便、測驗歷時短、節省人力的優勢，還可有效提高流量測驗的效率。在工程水文測驗中，特別是在自然環境惡劣、安全風險較高的地區，可作為常規或補充的測驗方式。

參考文獻：

[1]秦福清.雷達波流速儀在中小河流流量測驗中的應用分析[J].水利信息化，2012（4）：42-48.

[2]齊斌，高貴成，郭成山，等.電波流速儀系數分析試驗研究[Jl.水文，2004（1）：50-54.

[3]楊志紅，張春林，王漢卿.雷達波流速儀流量測驗水面流速系數分析研究[J].農業科技與信息，2015 （4）： 97-99.

[4] GB50179-2015河流流量測驗規范[S].

[5] SL247-2012水文資料整編規范[S].