多普勒雷達流速儀在滎經水文站的應用

鄭海英 付洪文

（1.四川省雅安水文水資源勘測局 四川雅安 625000 2.四川省雅安市滎經水務局 四川雅安 625200）

多普勒雷達流速儀在滎經水文站的應用

鄭海英1付洪文2

（1.四川省雅安水文水資源勘測局 四川雅安 625000 2.四川省雅安市滎經水務局 四川雅安 625200）

水文站在遇到高洪時，漲率較快，漂浮物多，流速儀測流困難，浮標法測量需要人員多、測流歷時長、測驗精度低。而多普勒雷達流速儀其測流操作過程簡單，測流歷時短，可以有效解決洪水暴漲暴落河流使用常規(guī)測流方法難以及時和準確測到洪水資料的問題。本文通過闡述多普勒雷達流速儀的基本原理和應用方式，說明其在水文站高洪測量中的應用意義。

水文；高洪；流量；測驗

1 前言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化步伐的不斷加快，越來越多的水文測站所在的測驗河段逐漸處于城鎮(zhèn)建設范圍之中，影響了原有河段的通視條件和水文站高架浮標測驗設施的布設。在遇到較大洪水超出纜道流速儀的施測范圍時，給流量測驗帶來困難。因此，采用雷達波測速的方式來測定中高水流速就顯得要十分重要。

2 滎經水文站基本概況

滎經水文站設于1951年12月，屬國家基本水文站，位于四川省雅安市滎經縣大田壩鄉(xiāng)，系大渡河青衣江水系左岸二級支流州河控制站。集水面積1694km2，多年平均徑流量超過30億m3。該站測驗項目有降水量、水位、流量、比降、泥沙等，流量屬國家二類精度站。

滎經河屬于山區(qū)性河流，水深、流速都較大，河床為沙卵石組成，沖淤變化不大，斷面較穩(wěn)定。該站水位流量關系多為單一線型，大多數(shù)漲水時間都在晚上，且受上游電站調水影響，漲率較大，陡漲陡落，所以漲坡上測流很困難。

3 浮標法和多普勒雷達波的工作原理及計算方法

3.1 浮標法的工作原理

浮標法測流是水文站在高洪條件下測流最常用的手段，一般用于解決高洪時轉子式流速儀無法入水或停電等造成測流困難時的情況。其工作原理是在測驗河段上游投放浮標（漂浮物），測定水流將此浮標由上游某點輸送到下游某點所用的時間，由上游點到下游點的距離除以這個時間得到此浮標流經流線的水流速度，從而計算出河道流量。

浮標法測流要花費大量的時間。首先是浮標（包括日用型和夜用型）的準備工作耗時大，而且測驗時花費時間也長（30min以上），需要人員多（一般4人以上）。還有因為測驗歷時長，洪水水位變化未及時測到也時有發(fā)生，并且受外界因素干擾太多，比如風力、能見度、流速的脈動、河道漂浮物以及測驗人員的人為誤差等，這些使得浮標法測得流量的精度不高。

3.2 浮標法的計算方法

浮標法實測流量計算時，應先計算出相應水位及各垂線上的河底高程，繪制測流斷面的橫斷面圖，計算出各浮標之起點距與虛流速，繪制虛流速橫向分布曲線圖，在虛流速橫向分布圖上查讀各測深垂線的虛流速，并根據部分平均流速和相應的部分面積計算各部分虛流量和全斷面虛流量，乘以相應的浮標系數(shù)后，計算出斷面流量。

3.3 多普勒雷達波的工作原理

多普勒雷達波的工作原理是利用水流質點對雷達波反射能產生多普勒頻移，檢測出反射波的頻移量就能算出質點的流速。它是一種非接觸式流量測驗方式，可借助于水文站現(xiàn)有的流速儀測驗纜道，將多普勒雷達流速儀安裝在水文纜道鉛魚上，無需入水，只要微波發(fā)射方向在垂直面上與流線有一定夾角，而在水平面上基本與流線平行就可以測到微波指向點的水面流速。

3.4 多普勒雷達波的計算方法

多普勒雷達波測流時根據計算機指令，由多普勒雷達探頭逐個采集測流斷面各垂線的水面流速數(shù)據，由天線傳回計算機中，再借用我們事先錄入的斷面資料，計算出斷面面積和虛流量等，根據分析出的水面系數(shù)生成一份完整的測速記載和流量計算表。

從這里看雷達波流速儀的流量計算方式和浮標法很相似，這說明其計算原理符合流量測量規(guī)范，卻又非常簡便快捷。室內的計算機操作系統(tǒng)與室外的通訊設備緊密配合，每一條垂線流速測完，自動進入下一個計算程序，可以說測速過程一結束，流量成果也就可立即計算出來，非常方便我們定線分析，進行下一步的測量。

3.5 多普勒雷達波水面流速系數(shù)的分析

在轉子式流速儀測驗的同時，進行雷達波流速儀測速，兩者的測速垂線相同，分別進行轉子式流速儀測量流量的計算和雷達波流速儀測量虛流量的計算，得到兩種流速儀測驗的流量成果，并進行比測資料的分析統(tǒng)計計算。根據滎經站2013～2015年在不同水位級采用兩種流速儀所測的流量成果，以轉子式流速儀測量值為真值，進行比測資料的比較分析及誤差統(tǒng)計，詳見表1和圖1。

表1 轉子式流速儀與雷達波流速儀比測數(shù)據

圖1 流量數(shù)據對比關系圖

通過以上分析計算可以看出滎經水文站轉子式流速儀和雷達波流速儀的相關線關系很好，檢驗得到誤差較小，偏離數(shù)值為0.52%，標準差2.8%，系統(tǒng)誤差-0.1%。各項指標符合《水文資料整編規(guī)范》要求，該站雷達波流速儀測流系數(shù)為Q流=0.80*Q電+9.11。

4 結論與建議

雷達波流速儀測流因其影響測驗精度的因素要少于浮標法，所以精度要高于浮標法，因此，在遇到高洪時，水位漲落急劇，漂浮物多，流速儀無法施測時，利用雷達波流速儀就能保證迅速、準確、快捷、有效安全施測到洪峰過程，而且節(jié)約人力物力，完全能夠替代浮標測流方式，實現(xiàn)高水期斷面流量監(jiān)測，值得在水文高洪測驗中推廣使用。但是雷達波流速儀系數(shù)要不斷收集實測資料，及時對系數(shù)進行校正，確保流量測驗精度。

[1]《河流流量測驗規(guī)范》（GB50179-93）.

[2]《水文測驗手冊》水利水電部水利司1975.

[3]《水文資料整編規(guī)范》（SL247-1999）.

P335.1

A

1004-7344（2016）09-0110-02

2016-3-12

鄭海英（1979-），女，四川雅安人，工程師，從事水文水資源測驗工作。

付洪文（1976-），男，重慶萬州人，工程師，從事水利工作。