手持電波流速儀在洪水流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用與分析

張忠國(guó)，史紅波，林 磊

（遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東118000）

1 概 述

鐵佛寺水文站位于鴨綠江一級(jí)支流愛(ài)河中上游，是國(guó)家重要水文站。愛(ài)河為典型的濕潤(rùn)地區(qū)山溪性河流，洪水特性為漲落率大、流速高、漂浮物多。該站在低枯水測(cè)流時(shí)一般采用涉水施測(cè)，中高水時(shí)利用過(guò)河橋梁采用轉(zhuǎn)子流速儀或水面浮標(biāo)法測(cè)流。該站中高水時(shí)由于水面漂浮物多，使用轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)流相當(dāng)困難，目前一般采用水面浮標(biāo)法和比降面積法搶測(cè)洪水過(guò)程，測(cè)驗(yàn)精度較低，且人員需求較多。而電波流速儀是一種遠(yuǎn)距離、無(wú)接觸測(cè)流的新型儀器，在測(cè)流斷面附近有橋梁的河段可以很好地解決上述問(wèn)題。

下面以電波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀在鐵佛寺水文站同步對(duì)比觀測(cè)資料為依據(jù)，分析電波流速儀測(cè)得水面流速的誤差來(lái)源，率定其在測(cè)洪過(guò)程中的單點(diǎn)流速改正系數(shù)，以解決山溪性河流在中高水流量測(cè)驗(yàn)中所面臨的困難。

2 電波流速儀介紹

2.1 簡(jiǎn)介

手持式電波流速儀SVR俗稱(chēng)“雷達(dá)測(cè)速槍”，是美國(guó)Decatur電子公司制造的專(zhuān)用于測(cè)量水面流速的儀器，主要用于野外巡測(cè)和洪水、潰壩、決口、泥石流等應(yīng)急測(cè)量，目前在東北地區(qū)正在逐步尋求其在洪水漲落急劇的水文測(cè)站進(jìn)行有效運(yùn)用。

2.2 工作原理

電波流速儀利用微波多普勒效應(yīng)，使用時(shí)儀器不接觸水體，依靠向水面發(fā)射微波和接收回波來(lái)遠(yuǎn)距離測(cè)量水面流速。要測(cè)定水流速度，首先雷達(dá)槍傳送和引導(dǎo)一個(gè)微波能量束（無(wú)線電波）與水面形成一個(gè)逼近（或后退）角。當(dāng)該能量束中的能量擊中水面時(shí)，該束中的少量能量將被反射回雷達(dá)槍的天線上。反射信號(hào)頻率的變化量與水流的速度成比例，然后雷達(dá)槍就可以通過(guò)傳輸和反射信號(hào)的頻率差確定流速，即多普勒效應(yīng)。

天線傳輸無(wú)線電波后，無(wú)線電波束在目標(biāo)區(qū)域形成一個(gè)橢圓形。波束的大小取決于天線與目標(biāo)之間的距離，水平波束寬為12°。目標(biāo)離天線越遠(yuǎn)，檢測(cè)區(qū)域越大。

3 偏差來(lái)源

電波流速儀測(cè)得的是水流表面流速，以目前所獲得的資料來(lái)看，以同步進(jìn)行的轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)得值為準(zhǔn)，單次水面流速測(cè)驗(yàn)結(jié)果絕大部分存在偏差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需進(jìn)行不同水位級(jí)的流速對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)行綜合流速改正系數(shù)率定。偏差的主要來(lái)源如下：

1）測(cè)量方法帶來(lái)的誤差。電波流速儀測(cè)得的是水面波浪迎波面或水面漂浮物的反射波，波浪和漂浮物的速度不等于水面流速，且水流運(yùn)動(dòng)時(shí)，受風(fēng)向風(fēng)速等影響波浪和漂浮物本身也有運(yùn)動(dòng)，影響電波流速儀測(cè)量的準(zhǔn)確性。轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)量水面流速一般是水面10 cm以下的流速，從垂線流速分布規(guī)律看，與水面漂浮物的流速也存在差別。

2）儀器本身帶來(lái)的偏差。雷達(dá)波束會(huì)有12°的波束角，斜向發(fā)射到水面上會(huì)形成一個(gè)長(zhǎng)圓形的水面投影，在投影內(nèi)，任意一處的強(qiáng)反射都可能被電波流速儀確認(rèn)為測(cè)點(diǎn)流速；儀器測(cè)速時(shí)，要用俯角和水平方位角的余弦進(jìn)行流速計(jì)算，這些角度都是針對(duì)聲束角中軸線而言的，這些角度的誤差也影響測(cè)量精度。

3）人為造成的偏差。電波流速儀搶測(cè)洪水過(guò)程中一般采用手持對(duì)準(zhǔn)水面觀測(cè)的方式，儀器抖動(dòng)，俯角和水平方位角的變化都會(huì)影響儀器測(cè)量的精度。

4 比測(cè)資料的選取

由于鐵佛寺水文站有橋測(cè)斷面，因此該比測(cè)試驗(yàn)在橋上進(jìn)行，這就使得電波流速儀測(cè)流的水平角為0°，有比較高的測(cè)量精度。比測(cè)試驗(yàn)時(shí)將電波流速儀和LS25-1型旋槳流速儀在同一條垂線上同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，這樣就確保此次比測(cè)可靠性和真實(shí)性。

根據(jù)對(duì)比測(cè)流時(shí)的實(shí)際情況，對(duì)那些受風(fēng)速、雨速等外界干擾因素影響的個(gè)別測(cè)次，以及發(fā)生突變的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、處理和剔除。此次比測(cè)共選用了鐵佛寺水文站中高水不同水位級(jí)的電波流速儀和旋槳流速儀同步實(shí)測(cè)水面流速資料46次，按水文學(xué)統(tǒng)計(jì)原理將選用的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行處理、計(jì)算，分析旋漿流速儀和電波流速儀所測(cè)水面流速間的相關(guān)關(guān)系，建立兩變量之間的關(guān)系式，即回歸方程，以此來(lái)確定電波流速儀在鐵佛寺水文站使用時(shí)的流速改正系數(shù)。

5 電波流速儀流速系數(shù)的率定

5.1 相關(guān)分析計(jì)算

根據(jù)水文流速的特性選定直線y=bx進(jìn)行兩者的相關(guān)分析計(jì)算。由最小二乘法要求殘差的平方和RSS最小可知：

又因?yàn)?/p>

將此次電波流速儀和旋槳流速儀對(duì)比觀測(cè)的46測(cè)流資料帶入上式中便可求出回歸方程。

則通過(guò)計(jì)算求得出電波流速儀和普通旋槳流速儀的相關(guān)方程為y=0.988x，然后點(diǎn)繪電波流速儀和旋漿流速儀水面流速相關(guān)關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 相關(guān)關(guān)系圖

5.2 回歸方程的顯著性檢驗(yàn)

從求回歸方程的過(guò)程可以看出，對(duì)任何一組觀測(cè)數(shù)據(jù)（x1，y1）（x2，y2）…（xn，yn）不管x和y之間是否存在線性相關(guān)關(guān)系，都可以用最小二乘法求得如上述的線性方程。但是，如果x和y之間根本不存在線性相關(guān)關(guān)系，那么則這個(gè)方程就不能描述x和y之間的真實(shí)關(guān)系了。因此需要對(duì)所求得的回歸方程是否有實(shí)際意義進(jìn)行檢驗(yàn)。

水文計(jì)算中習(xí)慣上多選用信度水平α=0.05，根據(jù)46次的對(duì)比觀測(cè)資料，查γα表，求得γα=0.284 6。計(jì)算求得γ=0.996＞γα，因此可以排除二者是不相關(guān)的，即推斷兩者是相關(guān)的，并且兩者的相關(guān)性還是比較顯著的，這種判斷失誤的可能性?xún)H有5%。上述建立的回歸方程是顯著的。

5.3 流速系數(shù)的確定

通過(guò)相關(guān)分析，手持式電波流速儀SVR的測(cè)速成果與常規(guī)流速儀法測(cè)驗(yàn)結(jié)果均是密切相關(guān)的。就該站的對(duì)比資料分析結(jié)果看，在站中高水洪水測(cè)驗(yàn)中，使用手持式電波流速儀SVR測(cè)速時(shí)各條測(cè)速垂線測(cè)得結(jié)果可直接采用y=0.988x的回歸方程確定水面流速。在水文測(cè)驗(yàn)中，一般將各類(lèi)流速系數(shù)取值為小數(shù)點(diǎn)后兩位，因此可認(rèn)為該站電波流速儀流速改正系數(shù)為0.99。該站已分析過(guò)的水面流速系數(shù)為0.85，則電波流速儀測(cè)得結(jié)果在該站的流速系數(shù)即為0.99×0.85=0.84。在水文資料整編中，在該站“實(shí)測(cè)流量成果表”中加寫(xiě)說(shuō)明：“流速系數(shù)：電波流速儀流速系數(shù)0.84為分析值?！?/p>

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析，在濕潤(rùn)地區(qū)山溪性河流的洪水流量測(cè)驗(yàn)中，應(yīng)用手持式電波流速儀SVR測(cè)速是可行的。但由于各條河流的水流流態(tài)不同、洪水特性不同、測(cè)驗(yàn)人為條件不同，使用前（尤其在國(guó)家基本水文站進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)時(shí)）必須進(jìn)行流速系數(shù)對(duì)比試驗(yàn)分析，其改正系數(shù)的精度取決于測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和質(zhì)量。

電波流速儀測(cè)速具有測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高、性能可靠、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，測(cè)速時(shí)不受水面、水內(nèi)漂浮物及水質(zhì)影響，而且流速越快，漂浮物越多，波浪越大，反射信號(hào)就越強(qiáng)，流速改正系數(shù)越穩(wěn)定。因此手持電波流速儀很適合高洪時(shí)以橋測(cè)和巡測(cè)方式進(jìn)行水面流速測(cè)量，在有橋梁等過(guò)河建筑物的條件下，完全可以取代浮標(biāo)法應(yīng)用于中高水流速測(cè)驗(yàn)，應(yīng)用于國(guó)家基本水文站的流量測(cè)驗(yàn)。

［1］林柞頂.水文現(xiàn)代化與水文新技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［2］朱曉原，張留柱，姚永熙.水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.