YMCP-1型非接觸微波流速儀比測試驗及系數(shù)分析

董福新 李文平 趙梅 馬志剛

（黃河水利委員會黃河中游水文水資源局 山西晉中 030600）

1 問題的提出

YMCP-1型非接觸式微波測流儀，因其測量時不受水中漂浮物等的影響，特別適用于含沙量大、漂浮物多的河流使用。微波流速儀系數(shù)的選取直接決定流量測驗成果精度，儀器投產(chǎn)前必須對其使用系數(shù)進行比測試驗分析。

2 比測試驗概況

2.1 比測試驗的內(nèi)容

2011年初，在府谷、吳堡兩站開展了比測試驗工作，其工作內(nèi)容如下：

（1）測站基本斷面垂線流速分布試驗。

（2）微波流速儀與轉子流速儀流量比測試驗。

2.2 比測試驗方法

（1）根據(jù)規(guī)范精測法要求，布設測速垂線。

（2）用微波流速儀和轉子流速儀，分別同時在各測速垂線上施測流速，轉子流速儀采用常測法。其中為了滿足流速垂線分布規(guī)律和水面流速系數(shù)的分析需求，每次比測試驗選1條測速垂線，采用精測法測速。

2.3 比測試驗資料及代表性

對府谷、吳堡兩站微波流速儀系數(shù)進行了分析。府谷、吳堡兩站共取得32次流量及32條垂線的比測試驗成果，點繪兩站比測試驗垂線流速分布圖及微波流速儀流速橫向分布圖，對比測試驗資料進行了合理性分析。經(jīng)分析，比測試驗資料可靠，具有較好的代表性。

3 比測試驗資料分析

從理論上講，微波流速儀實測流速為水面流速，其微波流速儀系數(shù)應該等于水面流速系數(shù)。但在微波流速儀應用過程中發(fā)現(xiàn)，微波流速儀實測流速并非等于水面流速，微波流速儀系數(shù)也并非等于水面流速系數(shù)。在微波流速儀推廣應用過程中，因缺乏比測試驗資料，部分水文站采用浮標系數(shù)作為微波流速儀系數(shù)，是否合適？下面就水面流速系數(shù)、浮標系數(shù)及微波流速系數(shù)進行分析。

3.1 水面流速系數(shù)與浮標系數(shù)的比較

（1）水面流速系數(shù)

垂線平均流速與該垂線水面流速之比值，其大小決定于垂線的流速分布規(guī)律。通過該系數(shù)，可以由水面流速來確定垂線的平均流速。

計算公式為：

式中：K1——水面流速系數(shù)；

ν0.0——垂線的水面流速；

ν——點流速；

y——相對水深；

νm——垂線平均流速。

（2）浮標系數(shù)

一個受多因素影響的綜合系數(shù)，其大小主要受風向、風力、浮標的形式和材料、浮標入水深度、水流情況、河流斷面形狀以及河床糙率等因素影響。其半理論半經(jīng)驗公式為：

式中：Kf——斷面浮標系數(shù)；

A——浮標阻力分布系數(shù)；

水文測站浮標系數(shù)一般應針對不同形式的浮標，通過比測分析研究確定。府谷、吳堡兩站系數(shù)分別為0.85、0.82[1]。

綜上分析：上述兩系數(shù)雖然有一定的內(nèi)在聯(lián)系，但完全是兩個不同概念，如果將浮標系數(shù)借用于水面流速儀，用來計算斷面流量，勢必影響流量的測驗精度。

3.2 水面流速系數(shù)分析

（1）經(jīng)驗公式法

點繪吳堡、府谷站垂線流速分布圖，可以看出，卡拉烏舍夫流速分布于吳堡站垂線流速分布相近，故可假設水文站垂線流速分布符合卡拉烏舍夫流速公式：

式中：P——流速分布參數(shù)，一般取0.6，相當于謝才系數(shù)C=40～60。

按積分法計算垂線平均流速為：

（2）統(tǒng)計分析法

分別計算府谷、吳堡兩站垂線測點流速與垂線平均流速之比值，并取其平均值，點繪相對水深與測點流速與垂線平均流速之比值的關系圖，統(tǒng)計分析該站垂線流速分布規(guī)律。可以看出：府谷、吳堡站在相對水深分別為 0.0、0.2、0.6、0.8、1.0 處，測點流速與垂線平均流速之比值分別為1.13、1.14、0.99、0.88、0.71 和 1.13、1.10、1.00、0.91、0.75。經(jīng)計算府谷、吳堡兩站其系數(shù)均為K1=0.885。

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》有關流速系數(shù)取用要求，府谷、吳堡兩站水面流速系數(shù)均取用0.89。

3.3 微波流速儀系數(shù)分析

該系數(shù)為流量真值與微波流速儀實測虛流量之比值，其中微波流速儀實測虛流量是以微波流速儀實測流速作為垂線平均流速而計算的流量值。本分析以轉子流速儀實測流量作為流量真值，對微波流速儀系數(shù)進行分析。

點繪府谷、吳堡兩站轉子流速儀實測流量與微波流速儀實測虛流量相關圖（見圖1），可以看出，其轉子流速儀實測流量與微波流速儀實測虛流量相關點密切成帶狀，回歸方程：Q轉子=0.853Q微波虛，相關系數(shù)R2=0.9979。說明兩者相關性較好。經(jīng)分析：府谷、吳堡兩站平均微波流速儀系數(shù)為0.853。

根據(jù)比測試驗資料，計算并點繪兩站流量—單次微波流速儀系數(shù)關系圖（見圖2）?？梢钥闯?，流量大于500 m3/s時，其系數(shù)比較穩(wěn)定；流量小于500 m3/s時，兩站系數(shù)不是很穩(wěn)定。為確保流量測驗精度，微波流速儀盡量在流量大于500m3/s時使用。

圖1 府谷、吳堡兩站Q轉子——Q微波虛相關圖

圖2 府谷、吳堡兩站流量——微波流速儀系數(shù)關系圖

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》有關流速系數(shù)取用要求，府谷、吳堡兩站微波流速儀系數(shù)均取用0.85。

3.4 各系數(shù)對比分析

綜上分析，府谷站水面流速系數(shù)、微波流速儀系數(shù)、浮標系數(shù)分別為 0.89、0.85、0.85；吳堡站分別為 0.89、0.85、0.82。我們既不能簡單地將水面流速系數(shù)作為微波流速儀系數(shù)，也不能將浮標系數(shù)作為微波流速儀系數(shù)。各站在選用微波流速儀系數(shù)時，必須經(jīng)比測資料而確定。

4 微波流速儀測流誤差分析

采用經(jīng)分析確定的府谷、吳堡兩站綜合微波流速儀系數(shù)（0.85），由兩站微波流速儀實測虛流量，計算微波流速儀實測流量，并以轉子流速儀實測流量為真值，對微波流速儀測流誤差進行分析。經(jīng)計算，其系統(tǒng)誤差為-0.1%，隨機不確定度為9.0%，均滿足《規(guī)范》要求。

5 分析結論

府谷、吳堡兩站取用微波流速儀系數(shù)0.85，可以滿足生產(chǎn)應用需求。

［1］齊斌，高貴成，郭成山.電波流速儀系數(shù)分析試驗研究［J］.水文.2004，24（1）：50.