阜新地區電波雷達流速轉換系數率定探討

孫 穎

(盤山縣農業水利事務服務中心，遼寧 盤山 124000)

0 引 言

當前中小河流洪水成為防汛關注的重點區域，中小河流由于大都處于比較偏遠的山區，沒有駐站人員完成定期的流量測驗，大都采取巡測方式進行流量測定[1]。中小河流洪水陡漲陡落，采用傳統測流方式，洪水的時效性很難得到有效滿足，常常措施洪峰觀測的最佳時機[2]。為此如何提高中小河流巡測的時效性成為近些年來水文科研工作研發關注的重點問題，一些流量測定產品也逐步被研發和應用，這其中電波流速儀由于體積下，測定速率快，在許多地區中小河流水文巡測中得到應用，尤其是應急測流方面，應用覆蓋面較大[3-9]。電波流速的測流原理在于通過對水流表面流速進行測定，建立表面流速和斷面平均流速之間的轉換系數，將表面流速轉換得到斷面平均流速，再將得到的斷面平均流速和斷面面積進行相乘得到通過斷面的流量。電波流速儀能被正常使用的關鍵在于轉換系數的確定，而電波流速儀的轉換系數的確定在我國許多流域進行了分析和研究，通過分析表明該轉換系數受河流特性影響較為明顯，需要針對不同類型河流，通過對比觀測方式，從而確定其流速轉換系數。為提高阜新地區中小河流應急測流能力，文章通過對比觀測方式對電波雷達流速轉換系數進行率定，分析阜新地區的最佳流速轉換系數。研究成果對于阜新地區中小河流監測時效性具有重要的支撐作用。

2 電波雷達的測流原理

電波雷達主要基于多普勒效應對水流表面流速進行測定，水面波動以及懸浮物都可以為電波雷達提供反射能量。電波雷達可對水流高速流轉狀態下的表面流速進行較為快速的測定。具體測流時，打開電波雷達的開光后朝向水面進行發射信號，即開始進行流速測定工作。初始發射時間維持在10s，此后每間隔5s進行1次觀測，一般測流時間控制在1min以內，這段時間測定的是水面平均流速值。電波雷達由于重量較輕可以單人手持也可以架設在三角架上，此外電波雷達由于耗電量不高，可以實現5h以上連續工作，可滿足多次測流的要求。電波雷達由于內置傾斜傳感器，可以對水平改正較和仰俯角進行手動選擇和自動改正，在異常天氣條件下具有防雨淋的功能。

3 測流方式及站點概況

3.1 測流方式

電波雷達一般在測驗河段上的橋梁進行流速測定工作，手持電波雷達在橋上對準水面目標進行信號發射，水流流向一般和電波雷達保持平行，首先在電波雷達的MENU鍵選擇COS項對水平改正角度進行調整，調整初始水平改正角度為0°。將流速單位設置按照U項進行選擇，改為為EUR(m/s)。將顯示分辨率選擇MODE鍵調整100ths，在具體使用電波雷達時，需要對雷達槍進行傾斜，且傾斜的俯角<60°。電波雷達順著水流或者面向水流方向且保持在恒定的俯角位置對水體表面流速進行測定。

3.2 測站概況

文章選擇阜新地區彰武水文站作為研究實例，彰武水文站位于柳河中游，流域面積4985km2，柳河發源于內蒙古庫倫旗扣河子鎮五星村，全長297 km，彰武站至河口距離為73 km，區間面積934 km2。流域地理位置為E122°10′05″-122°31′06″，N42°20′10″-42°50′30″。測驗河段順直長約2000m，河心有沙灘，枯水形成分流，流心擺動不定，洪水時比降大、淤柴多、含沙量大，最大河寬443m。基本水尺斷面上游430m處有建站前修建的鐵路橋一座。兩岸土堤，河床為細沙組成，洪水時漲沖落淤，河床變化較大。彰武水文站不同時期水位值，見表1。

表1 彰武水文站不同時期水位值

4 精度評價方法

需要采用傳統流速儀比測的方式對電波雷達的測驗精度進行分析。通過布設多條測速垂線采用流速儀和電波雷達的比測方式進行檢驗，對各垂線平均流速和電波雷達測定的表面流速進行一致性檢驗。理論上，垂線平均流速和電波雷達測定的表面流速存在一個比值關系，即為水面流速系數，但在比測試驗中由于存在一定的測驗誤差，使得各比測試驗該水面流速系數大小不一致，該系數值越小表面兩種對比觀測儀器之間的擬合程度越高，說明電波雷達的穩定程度越高。一般情況下，在相同的斷面面積下，傳統流速儀和電波雷達測定的流量大小直接由流速大小決定。因此電波雷達穩定性評定的一個重要指標即為水面流速系數。流量定線的精度直接受到水面流速系數的直接影響。龍灣水文站為二類水文測站，因此采用河流流量測驗規范要求，二類水文站電波雷達在95%的置信度水平下的隨機不確定度<10%，則表明電波雷達測定的流速較為可靠的穩定性，滿足流量定線的精度要求。

5 比測試驗結果

5.1 流速橫向分布檢驗

將對比觀測中電波雷達和傳統流速儀在同一位置進行流速的觀測，分析電波雷達和傳統流速儀的流速值，得到流速轉換系數，對傳統流速儀垂線平均流速和雷達槍表明流速進行分析，從而驗證兩種儀器流速橫向分布的一致性。彰武水文站電波流速儀和傳統轉子流速儀流速測定對比結果，見表2。

表2 彰武水文站電波流速儀和傳統轉子流速儀流速測定對比結果

從對比結果可看出，在同一起點距位置電波雷達流速儀測定的流速均高于轉子流速儀測定的流速值，這主要是因為電波雷達流速儀測定的水流的表面流速，而傳統轉子流速儀測定的是斷面平均流速，一般而言表面流速要高于斷面平均流速，因此電波流速儀測定的流速較為合理。在不同起點距下，電波流速儀和轉子流速儀之間的轉換系數總體在0.56-0.94之間，且橫向分布具有同步性。各起點距的轉換系數的均值為0.82，單次測驗的不確定度為10.6，可滿足河流流量測驗的規范要求。

5.2 測驗精度分析

通過對本站低中高水的進行8次對比觀測試驗，得出綜合水面流速系數為082，為進一步驗證系數的可靠性，建立雷達槍與流速儀水位流量關系。電波流速儀與轉子流速儀水位流量關系分析結果，見表3。

表3 電波流速儀與轉子流速儀水位流量關系分析結果

從電波流速儀測定的流量和轉子流速儀測定的彰武水文站流量可看出，未將電波流速儀表面流速和斷面平均流速進行轉換前，彰武水文站采用電波流速儀測定的流量和傳統轉子流速儀測定的流量之間的誤差>20%，不能滿足河流流量測驗規范的要求，規范要求測流誤差需要控制在±20%以內。采用電波流速儀流速轉換系數后，得到轉換后的電波雷達流量，將電波流速儀測定的表面流速轉換成斷面平均流速，得到轉換后的電波雷達測定流量，從轉換結果可看出，轉換后的電波雷達測定流量和傳統轉子流速儀測定流量之間誤差在10%范圍內，可滿足河流流量測驗的規范要求，轉化后的電波測定流量和轉子流速儀測定的流量之間的相關系數在0.7以上。阜新地區河流類型較為相似，一般為山區型河流，河流斷面沖淤變化較大，在采用電波雷達流速儀進行流量測定時流速轉換系數采用值為0.82，從轉換后的水位流量關系看出，電波流速儀在高水位時水位流量關系一般較為穩定，而在低水位由于流速較小，電波流速儀測定的水位流量關系受外界影響因素較多，穩定性不高。

6 結 語

1)電波流速儀在阜新地區中高水位時，測定的流量和水位具有較好的穩定性，因此適合于阜新地區中、高水位河流的應急測流，而高流速下，電波流速儀的流速測定誤差有所增高，因此建議在具體適用時，當水面流速>3m/s時，由于電波流速儀測流精度影響較大，建議可采用浮標法進行應急測流。

2)由于電波流速儀無法施測水深，只能借用斷面計算流量，這就要求測驗河段斷面穩定。實際工作中，應正確選擇測驗河段，盡量避免環境因素影響，充分利用電波流速一完成高洪流量測驗。