手持電波流速儀在水文站的應(yīng)用

□楊 芳

（黃山水文水資源局）

1 概述

隨著水文技術(shù)逐步現(xiàn)代化，流量測驗設(shè)備層出不窮，如ADCP、電波流速儀等，并得到廣泛應(yīng)用。其中電波流速儀是一種非接觸水面式的。利用多普勒原理測得水面流速的儀器設(shè)備，測驗安全、時間短，且適用于水情復(fù)雜的水面流速測驗，流速越快，波浪越大，反射信號就越強(qiáng)，所以更適用于高洪測驗。

針對手持電波流速儀STALKER Pro II SVR 在屯溪水文站的應(yīng)用，進(jìn)行了比測分析。屯溪水文站是新安江干流上游的主要控制站，國家基本水文站。該站屬山區(qū)性河流，河道坡度大，有“四大、兩快、一短”的特征，即：流速大、沖刷力大、含沙量大及破壞力大，洪水過程漲得快、落得快、歷時短。確定手持電波流速儀的穩(wěn)定性，率定出其系數(shù)對該站今后工作的開展起到很重要的作用。

2 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 工作原理

電波流速儀是一種利用多普勒原理的測速儀器，該種儀器采用微波波段的電波，工作時電波流速儀發(fā)射微波到需要測速的水面上，再接收水面的反射波，測出發(fā)射信號和反射信號的頻率差，即可算出水面流速。計算公式如下：

式（1）中：fD—發(fā)射信號和接收信號的頻率差；f0—發(fā)射信號的頻率；f1—接收信號的頻率；V—水面流速，m/s；C—電波在空氣中傳播速度，m/s；θ—發(fā)射波與水流方向的夾角，由俯角和方位角合成。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

電波流速儀屏幕可同時顯示瞬時流速、平均流速、測速歷時、回波強(qiáng)度、流速方向和發(fā)射狀態(tài)。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電波流速儀主要技術(shù)參數(shù)表

3 比測成果

3.1 比測情況

2016-2019 年在基本斷面與電波流速儀斷面進(jìn)行現(xiàn)場比測，電波流速儀斷面在基上95 m 處。比測時轉(zhuǎn)子式流速儀或走航式ADCP 在基本斷面測驗，同時電波流速儀測驗人員上橋，以橋梁標(biāo)志進(jìn)行起點距定位，手持電波流速儀對準(zhǔn)橋上游斷面進(jìn)行測驗。

3.2 比測資料分析

因電波流速儀斷面與基本斷面水流均受橋墩影響，流速橫向分布不能對應(yīng)，故選擇流量作為研究對象。以轉(zhuǎn)子式流速儀、走航式ADCP 所測流量為真值，而電波流速儀流量為虛流量。流速0.70 m/s 以上電波流速儀測驗較為穩(wěn)定，故選擇在中、高水時進(jìn)行比測，比測共實測流量31組。

采用算數(shù)平均法分析成果見表2，電波流速儀系數(shù)最大為0.95，最小為0.82，多次平均為0.88。測流誤差最大為7.25%，系統(tǒng)誤差為0.12%，隨機(jī)不確定度為6.28%。隨機(jī)不確定度、系統(tǒng)誤差均符合GB 50179-2015《河流流量測驗規(guī)范》比測要求，基本滿足生產(chǎn)需求。

表2 電波流速儀比測成果表

點繪電波流速儀-走航式ADCP、電波流速儀-轉(zhuǎn)子式流速儀流量相關(guān)關(guān)系圖（見圖1），得出相關(guān)方程為y = 0.88x，R2=0.99，為顯著相關(guān)。

綜合上述兩種比測分析方法，確定屯溪站電波流速儀系數(shù)為0.88。由近兩年的使用情況看，用電波流速儀所測流量乘以該系數(shù)與使用走航式ADCP、轉(zhuǎn)子式流速儀測得的流量呈一系列，無系統(tǒng)偏離，故系數(shù)0.88可應(yīng)用于今后的測流工作中。

4 體會

電波流速儀因為是手持式，所以極易抖動，很難保證每次測速點的一致性。因此應(yīng)盡量放在三腳架上，或者借助可以固定角度的工具，以便準(zhǔn)確測到測速點，消除人為因素影響，確保測量精度。

兩岸有時會有較大脈動，為消除影響，可以延長測速歷時，或多測幾次，經(jīng)分析之后可采用平均值作為相應(yīng)測點流速。

圖1 電波流速儀水面系數(shù)相關(guān)圖

電波流速儀探頭沾到水后，所測流速誤差大，所以對于探頭要做相應(yīng)的防水措施；應(yīng)盡量避免在雨天測驗，因雨滴垂直向下運動，會被探頭接收對數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。經(jīng)該站多次測驗總結(jié)，雨天測驗結(jié)果均偏大。

電波流速儀低流速信號差，且受風(fēng)影響大，該站在流速達(dá)到0.70 m/s以上較為穩(wěn)定，更適用于中高水的測速。

儀器發(fā)射雷達(dá)波有12°的波束角，發(fā)射波呈橢圓狀發(fā)散在水面，其橢圓形區(qū)域大小與測程、雷達(dá)波發(fā)射角有關(guān)，測得的水面流速是橢圓形區(qū)域的面平均流速。與轉(zhuǎn)子式流速儀所測點平均流速，走航式ADCP 所測斷面流速原理不同，這將產(chǎn)生一定的誤差。

岸邊測速時，流速計算需用到水平角的余弦，為盡量減少因水平角產(chǎn)生的誤差，可在橋上多垂線測驗。而橋下游水流流態(tài)受橋墩擾動影響，建議測驗斷面選在橋上游。

5 結(jié)論與建議

手持電波流速儀STALKER Pro II SVR 在屯溪水文站應(yīng)用中基本滿足生產(chǎn)需求，在中、高水條件下，可代替轉(zhuǎn)子式流速儀、走航式ADCP 進(jìn)行測驗，測驗質(zhì)量滿足規(guī)范要求。在不同測驗河段及斷面情況下，系數(shù)可能不同，建議把握測流時機(jī)，合理均勻布置比測次數(shù)，增加比測資料，提高測驗精度及系數(shù)的準(zhǔn)確性。同時河道特征如有較大變化，應(yīng)重新校測。