電波流速儀在現(xiàn)代水文工作中的應用及思考

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(四川省雅安水文水資源勘測局，四川 雅安，625000)

瀘定水文站位于四川省瀘定縣延安路9號，東經102°14′，北緯29°55′，集水面積58943km2。站點所處的大渡河中游屬于山區(qū)性河流，河道狹窄，洪水來臨時，水深、流速大，使用傳統(tǒng)流量測驗方法對基礎設施設備要求高，威脅大。故高洪水期間，普通測流設備無法施測時基本采用浮標測流法或比降面積法推流，以此保證為防汛抗洪搶險工作提供及時準確的水情信息，為各級防汛搶險指揮部門做出重大防汛決策提供科學依據(jù)。而隨著社會的發(fā)展，科技的進步，兼顧各種水文情形、更加高效便捷的測流儀器——電波流速儀(本文以S3-SVR型為例)問世了，其彌補了傳統(tǒng)測流方式的諸多不足，但要讓電波流速儀在日常水文測流工作中替代傳統(tǒng)測流方式，測驗結果滿足資料整編要求，就需要通過理論分析和實際使用對比，選出最為適合的方式完成水文測驗任務。

1 目前常用流量測驗方法及優(yōu)缺點

1.1 旋槳式流速儀測流法

1.1.1 工作原理

當流速儀放入水流中，水流作用于流速儀的感應原件(旋漿)時，由于它的迎水面的各部分受到的水壓力不同而產生壓力差，以致形成一個轉動力矩，使旋漿產生旋轉。

流速儀旋漿的轉速n與流速v之間存在著一定的函數(shù)關系v=f(n)。大量實驗證明其關系相當穩(wěn)定，可以通過檢定水槽的試驗確定。利用函數(shù)關系，在實際水文測量中，測得旋漿的轉速，從而計算出水流流速。

1.1.2 優(yōu)缺點

(1)優(yōu)點：對流速的感應靈敏，測驗精度高；操作簡單，使用方便，便于拆裝清洗修理；體積小重量輕，便于攜帶，價格低，利于推廣。

(2)缺點：對于無纜道、無測船、高洪水位及流速太大水面雜物過多等情況時，具有相當?shù)木窒扌?；測流時間較長，不利于洪峰流量的搶測。

1.2 浮標測流法

1.2.1 測流方法

浮標測速是在測流河段沿河寬均勻投放浮標，觀測各浮標流經上下浮標斷面間的運行歷時，測定各浮標流經中斷面的位置。投放浮標的數(shù)量應大致與流速儀測流的測速垂線數(shù)目相當。如遇特大洪水，可只在中泓投浮標或選用天然漂浮物作浮標。

1.2.2 優(yōu)缺點

(1)優(yōu)點：凡漂浮之物都可做成浮標，宜就地取材。浮標纜道一般架設位置較高，在非常洪水來臨之際，一般測流設備無法使用之時，仍能應付自如。

(2)缺點：測流時間長；浮標使用量大；測速垂線分布不均勻；測流人員要求多；流量結果精度低。

1.3 比降面積測流法

1.3.1 測流原理

式中：n——河床糙率；

Se——能面比降。

1.3.2 優(yōu)缺點

(1)優(yōu)點：在無實測流量資料時，可以通過洪調來推算流量。

(2)缺點：必須有相當長時間的相關資料收集，計算出的流量結果精度極低。

2 電波流速儀在瀘定水文站的應用

2.1 電波流速儀介紹

2.1.1 測流原理

電波流速儀是利用雷達多普勒效應，用非接觸的方式測量水面流速的新型測流儀。電波流速儀發(fā)射體發(fā)射的雷達波照射水面，部分能量被水面波浪反射回來，產生的多普勒相移信息被儀器的拋物面天線接收，信號處理機利用發(fā)射信號的水面回波與發(fā)射信號的多普勒頻率差來提取速度信息。測量中探頭實際接收到的信號是流速信息真值的分量，經余弦改正后還原成真值。理論和實踐證明，當方位角為零度，仰角為30°時儀器具有最佳的測量精度。

2.1.2 S3 SVR型纜道電波流速儀主要技術指標

(1)雷達波流速傳感器

①流速范圍：0.2m/s～18m/s；

②流速精度：±0.03m/s；

③平均時長：0～99.9s；

④俯角范圍：0°～70°，可設置；

⑤雨中測流：可在強降雨環(huán)境正常測流；

⑥波束寬度：12°(錐度角)。

(2)無線控制模塊

①無線頻率：2.4GHz；

②通信距離：500m；

③控制功能：控制流速傳感器供電，發(fā)送流速數(shù)據(jù)和鉛魚高度數(shù)據(jù)。

2.2 電波流速儀系數(shù)分析

2.2.1 比測試驗

2014年6月至8月，瀘定水文站進行了30次電波流速儀系數(shù)試驗，水位變化范圍為1307.09m～1312.08m，流量變化范圍為1010m3/s～5570m3/s。具體步驟為：在LS25-1型旋槳式流速儀施測流量的同時，將電波流速儀安置于同一纜道，固定位置同步測流，測量完成后分別用LS25-1型旋槳式流速儀和電波流速儀測流結果，計算斷面流量及電波流速儀虛流量，然后由斷面流量和虛流量計算比測試驗的電波流速儀系數(shù)。

在電波流速儀系數(shù)試驗中，為了使試驗的電波流速儀系數(shù)具有較好的代表性，我們在不同天氣，不同水情條件下，用LS25-1型旋槳式流速儀進行了不同測法(三點法及一點法)與電波流速儀不同測速歷時的組合比測。

電波流速儀與LS25-1型旋槳式流速儀實測流量對比見表1。

表1電波流速儀與LS25-1型旋槳式流速儀實測流量對比

注：電波系數(shù)流量=0.85×電波虛流量+79.5

2.2.2 電波流速儀系數(shù)分析

按照表1中的數(shù)據(jù)，將電波流速儀實測虛流量與對應的斷面平均流量進行相關分析計算，得出相關系數(shù)為0.85，常數(shù)為79.5，回歸方程式可以表示為：

Q=0.85×Q電+79.5

式中：Q——斷面流量(m3/s)；

Q電——電波流速儀所測虛流量(m3/s)。

圖1 電波流速儀K線圖

圖2 電波流速儀系數(shù)流量與線上流量關系

2.2.3電波流速儀系數(shù)流量三線檢驗[1]

(1)符號檢驗

測點偏離曲線正號個數(shù)K=13，負號個數(shù)K=17。統(tǒng)計量μ=0.55，(1-α/2)=1.15，μ<μ(1-α/2)，所以合理。

(2)適線檢驗

負符號變換次數(shù)K=17，因為K>0.5(n-1)，所以免作此檢驗

(3)偏離系數(shù)檢驗

平均相對偏離值的標準差Sp=0.42%，統(tǒng)計量t=-0.95，顯著性水平α=0.1，|t|

3 對比與思考

3.1 電波流速儀的優(yōu)缺點

3.1.1 電波流速儀的優(yōu)點

(1)人員需求少。用于野外測量等情況時攜帶方便；結合全自動測流纜道使用時，測流全程只需一人操作；

(2)操作簡單。儀器通過無線傳輸設備傳遞水面流速數(shù)據(jù)，一鍵操作，使用非常簡單；

(3)安全可靠。儀器以非入水方式測量，能搭載于測流纜道、測船上或在橋梁等跨河設施上，確保了儀器以及人員的安全；

(4)測得水面流速精度高、用時短。電波流速儀每秒可采集4組測點水面流速信號，如設定每點測速歷時20s，則每點在20s內可收集80組流速信號，通過測流軟件自動剔除10%的最大最小數(shù)據(jù)，其余90%數(shù)據(jù)平均，基本消除波浪等不利因素產生的影響，提高了測驗精度。因為用時短，在搶測洪峰流量和水位變化較大時，優(yōu)勢相當顯著；

(5)實現(xiàn)在線測流。儀器結合配套軟件、水位、斷面資料自動生成斷面流量；

(6)測速范圍寬。根據(jù)產品說明書介紹，此產品測速范圍為0.2m/s～18m/s。

3.1.2 電波流速儀的缺點

(1)需比測分析系數(shù)：由于電波流速儀測得的是水面流速，必須進行比測實驗，以確定該河流水面流速與斷面平均流速的關系；

(2)需適當增加斷面測次：由于電波流速儀測得的是水面流速，沒有實測水深，斷面資料是借用，因此為保證資料精度，必須增加測次；

(3)因暴雨會影響電磁波的反射，所以應盡量避開暴雨環(huán)境。

3.2 電波流速儀與常用測流方法的對比

對比電波流速儀測流與旋槳式流速儀測流法可以看到，電波流速儀法在無纜道、無測船、高洪、大沙、漂浮物過多等情況下，能夠輕松替代旋槳式流速儀完成測流任務。

對比電波流速儀測流法與浮標測流法可以看出，電波流速儀在測流人員配置、測流前期準備、數(shù)據(jù)收集及資料精度等方面明顯優(yōu)于浮標測流法，而系數(shù)分析與斷面測次的增加又是兩者共同面臨的問題。

對比電波流速儀測流法與比降面積測流法，電波流速儀在精度、人員需求等方面比比降面積測流法有絕對優(yōu)勢。

3.3 電波流速儀應用后的思考

當前我省經濟社會正處于快速發(fā)展的黃金期，保障糧食增產增收、營造穩(wěn)定發(fā)展大環(huán)境對防汛抗旱能力提出更高要求，干旱缺水、城鄉(xiāng)洪澇、山洪泥石流等防汛抗旱問題嚴重制約全面建設小康社會進程。這要求我們必須把增強防洪抗旱服務能力作為工作重點，積極主動做好服務，及時響應各級防指和政府的工作要求，切實做到精準預報、滾動發(fā)布、全面分析、超前預警，不斷提高我省防汛減災水平。

在這一背景下，我省逐步加大了中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)、城市水文系統(tǒng)的建設，以雅安水文局為例，近年增加的水文(位)站、自動測報站達數(shù)百個，如果按照傳統(tǒng)水文測驗方式運轉，就需要大量的基礎設施投入以及人員配置。但是依照目前的財政支撐以及人員編制，暫時無法滿足所增加站點的正常運行，在這種情況下，只有提高先進水文測驗儀器(如電波流速儀、雷達波測深儀、全自動測流纜道等)的投入比例，來緩解人員的不足，通過近期試點買進的先進儀器的使用情況來看，這些儀器大大提高了巡測間測的可能性，既保障了基本水文數(shù)據(jù)的精度，又提高了水文數(shù)據(jù)的時效性，并減輕了水文人的勞動強度，解決了水文危險作業(yè)的問題，改變了水文人傳統(tǒng)的踏波逐浪的工作方式，加大了水文測驗環(huán)境的高適應性，達到了以點帶面和“大水文”思想的要求，讓水文工作者在現(xiàn)有的水利服務基礎上，可以更多的為地區(qū)經濟建設服務。