無線雷達波測流儀在流量測驗中的應用分析

王文浩 梁存峰 張 薔

（長治市水文水資源勘測分局山西長治046000）

0 引言

目前，山西省中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)建設項目已完成，中小河流雨量站、水位站、水文站站網已基本覆蓋全省主要河流。在中小河流站網建設中，許多新儀器、新技術、新方法廣泛應用于水文測驗中，使得水文測驗技術有了較大的突破。

隨著水文科技化、現(xiàn)代化的快速發(fā)展，水文測驗自動化程度越來越高，無線雷達波測流儀被布置到基本水文站。通過比測試驗，可以尋求到無線雷達波與流速儀之間的關系系數，從而為無線雷達波測流的應用提供依據。無線雷達波測流儀可以解決中高洪水測驗的困難，縮短測報歷時，實現(xiàn)水文測報的自動化、數字化。本文致力于尋求無線雷達波與流速儀測流之間的換算系數，從而為提供新的測驗方法開辟道路。

1 儀器設備

1.1 LS68 型流速儀

LS68 型旋杯式流速儀的工作原理是，當流速儀轉子應對水流時，轉子的設計結構使水流的直線運動產生動量差和轉矩，此轉矩克服轉子的靜慣性力和動摩阻及流體阻力后轉動起來[1]。LS68 型旋杯式流速儀的旋轉阻力很小，低、中速時流速與轉子轉速直線性能很好。

LS68 型旋杯式流速儀是水文系統(tǒng)基本水文站的主要測量儀器[2]，使用方便、靈活。但施測時旋杯軸需垂直于水流，因此測量流速受人工影響較大。

1.2 無線雷達波測流儀

雷達測速的基本原理是多普勒效應。儀器發(fā)送固定頻率的雷達波斜向射到水面，一部分雷達波被水面反射回來，反射回來的雷達波被儀器接收，測出發(fā)射與反射信號的頻差，便可以計算出水面流速[3]。計算公式為[4]：

式中：v——水面的流速，m/s；

C——電波在空氣中的傳播速度，3×108m/s；

fD——為多普勒頻移，Hz；

f0——發(fā)射雷達波頻率，Hz；

θ——發(fā)射波與水流方向夾角，°。

河道流量計算公式：

式中：A——截面面積，m2；

vm——通過截面的流速，m/s；

h——水位，m。

雷達波測流包括手持雷達波測流、無線雷達波測流、在線雷達波測流，應選擇無風情況下測流，風力較大時，應測風向、風力，加以改正。

1）測速范圍0.20～18.0 m/s；

2）標稱測量精度0.03 m/s；

3）波速寬度12°；微波頻率34 GHz；

4）最大測程100 m；

5）俯角45°。

相比流速儀，無線雷達波測流具有安全高效、自動化程度高等優(yōu)點，能夠減少人力勞動，數據測量間隔小，可為后期分析提供大量的數據資料，且不受天氣等外界因素干擾。

2 水文站基本情況

比測選用的水文站為孔家坡（二）水文站?？准移拢ǘ┧恼緸閲一舅恼?，位于沁源縣沁河鎮(zhèn)孔家坡村沁河上，屬黃河流域沁河水系。該站集水面積為1 358 km2，斷面以上主河道長度69.3 km，主河道縱坡比降6.0‰。該站主要觀測項目為水位、流量、泥沙、降水。測驗斷面為基本水尺斷面，由卵石夾沙組成，斷面汛期沖淤變化較大，多年水位流量關系較好。實測最大洪峰流量發(fā)生于1993年8月4日，洪峰流量為2 210 m3/s。

3 比測方法及分析

通過比測實驗，尋求流速儀測得流量與無線雷達波測得流量間的換算系數。流速儀與無線雷達波流速儀比測時，滿足在同一水位，并且測速垂線起點距相同，在同一斷面不同水位級情況下得到實測流量共25份。將實測流量數據繪制成圖，如圖1 所示。從圖1 中可以看出，流速儀測得流量與無線雷達波測得流量兩者間具有一定的相關性。

圖1 流速儀與無線雷達波流量關系圖

由于實測數據存在偶然誤差，對流速儀與無線雷達波流量關系造成了一定的影響，從圖1 中可以看到系列點有一點波動。為了消除其偶然誤差的影響，分別點繪流速儀和無線雷達波流速儀水位流量關系曲線，并作水位流量關系曲線檢驗，曲線檢驗均合格，水位流量關系曲線見圖2，檢驗結果見表1。

從兩條水位流量關系曲線上分別讀取同一水位相應流量，點繪流速儀與無線雷達波流量關系圖，從圖3 中可以看出兩者流量數據之間存在較好的線性關系。經相關性分析，得到相關系數r 為0.999 94，接近于1，說明兩者流量數據間的相關性很好，可得線性關系式為：

式中：Y——流速儀流量，m3/s；

X——雷達波流量，m3/s。

通過相關性分析，可以得到無線雷達波測流儀與轉子流速儀之間的置換系數為0.847 8。在相關分析中，為了推斷兩變量之間是否真正存在著相關關系，必須對樣本相關系數進行檢驗。

在相關分析中，相關系數是根據有限的資料計算出來的，不免帶有抽樣誤差，因此，為了推斷兩變量之間是否真正存在相關系數，必須對樣本相關系數做統(tǒng)計檢驗。這種檢驗的實質在于找出一個臨界的相關系數值，只有當樣本相關系數的絕對值大于這個臨界值，才能在一定的信度水平下推斷總體是相關的。除了統(tǒng)計檢驗外，還可以通過相關系數的機誤與相關系數的比較來粗略判斷相關關系數是否存在。按照統(tǒng)計原理，相關系數的機誤采用《工程水文學》[5]中公式（6-63）進行計算，計算公式如下：

表1 比測成果分析表

圖2 LS68 型流速儀與雷達波測流儀水位流量關系曲線

圖3 流速儀與雷達波流量相關關系圖

式中：r——相關系數；

n——樣本的個數。

經過計算，r>4Er，說明兩變量之間存在相關關系。

在比測方案中，以轉子式流速儀測得值為準進行對比[6]，認為流速儀側得流量值為真值。參照GB50179-2015《河流流量測驗規(guī)范》[7]，比測隨機不確定度不應超過6%。

為了驗證相關分析得到的置換系數合理性，采用公式（3）將雷達波測得流量數據進行轉換得到計算流量值，流速儀測得流量為實際流量值，計算值與實際值進行比較，并進行誤差分析[8]，分析結果見表2。

表2 比測成果分析表

通過誤差分析，絕對誤差均值為-0.003，相對誤差均值為3.76%，隨機不確定度為1.37%，隨機不確定度并沒有超過6%，結果符合規(guī)范要求，無線雷達波測流儀與轉子流速儀之間的置換系數為0.847 8 存在一定合理性。

4 結論與展望

經過流速儀與無線雷達波流量比測分析，兩者數據之間具有很好的線性關系，并且比測成果均符合河流流量測驗規(guī)范規(guī)定。采用分析成果中的系數，無線雷達波測流儀與轉子流速儀之間的置換系數為0.847 8。分析論證后的系數可以為雷達波測流運用提供佐證，并能夠提供具有連續(xù)性的等時段流量數據信息，能夠完整記錄流量變化過程，為替代浮標測流實現(xiàn)水文測站測驗自動化有重要意義。

但是在比測測驗中發(fā)現(xiàn)，雷達波探頭與水面俯角擺動變化對流量測驗有影響，無線雷達波測流儀在低（枯）水測驗中流速測得不準確，不建議在低（枯）水情況下使用。