電波流速儀的應(yīng)用及比測分析

郭 成

（運城市水文水資源勘測分局，山西 運城 044000）

1 大廟水文站概況

大廟水文站位于夏縣瑤峰鎮(zhèn)大廟村，屬于黃河流域黃河水系，為白沙河小流域控制站，屬小河站，集水面積55.9km2。主要承擔水文測驗、水情報汛、降水量觀測、墑情測驗等工作任務(wù)。1956年6月設(shè)站，測驗斷面位于白沙河下游南山底，站名為南山底站；1976年5月因修建白沙河水庫，測驗斷面上遷約2.5km，站名為南山底（二）站；1977年6月上遷3km 至大廟村，站名為大廟水文站。站房于2011年7月改建，采用標準化站房設(shè)計，建筑面積203.96m2。

測驗河段河道較順直，斷面為寬淺斷面，主槽寬50m，灘寬18m，左岸為土質(zhì)陡岸，大水時易坍塌，右岸為土質(zhì)臺地；基上80m 處有一小支流匯入。左岸引水渠2002年1月1日設(shè)立觀測斷面開始觀測，斷面名為大廟（左渠）。右岸引水渠2002年1月1日設(shè)立觀測斷面開始觀測，斷面名為大廟（右渠）。

2 流速儀測流應(yīng)用

電波流速儀是一種水面流速測試儀器，優(yōu)點是可以不接觸水面進行遠距離測流，比旋槳流速儀更加精確穩(wěn)定。旋槳流速儀在測流過程中，遇到泥沙、水草等不利因素無法測試。所以，在水情復(fù)雜，水流較大，含沙量、水面漂浮物較多以及普通轉(zhuǎn)子式流速儀無法入水等特殊水情下，優(yōu)先選擇電波流速儀，此外它測量速度快、精度高，攜帶方便且操作安全。

2010年以來，上級單位先后為各測站、應(yīng)急監(jiān)測隊配備了電波流速儀，并在大廟、城市等水文站，用電波流速儀與傳統(tǒng)的LS 25-1 型旋槳流速儀，進行了水面流速比測試驗。經(jīng)過多次比測，各項條件滿足生產(chǎn)需求，電波流速儀的性能及測速準確性均在規(guī)范范圍內(nèi)，同時已在各水文站投放使用。在使用過程中出現(xiàn)的問題是，部分測站人員在使用電波流速儀進行測流時，選擇浮標系數(shù)代替電波流速儀系數(shù)，結(jié)果測流精度受到了影響。為更好地應(yīng)用好電波流速儀，保證測試精度，通過比測試驗及理論分析，找到各級水位下的電波流速儀系數(shù)，避免再使用浮標系數(shù)。

3 測量原理及技術(shù)指標

電波流速儀由探測器、數(shù)據(jù)處理器和電源三部分組成。電波流速儀的工作原理是，通過發(fā)射電磁波信號，利用水面回波，結(jié)合測算的電磁波基準信號的多普勒頻率差，計算流速信息，然后依據(jù)雷達多普勒效應(yīng)，利用連續(xù)的雷達波來確定回波的相位信息。

測試時，通過雷達發(fā)射電磁波信號，電磁波經(jīng)過水面反射后被雷達接收，由于水面流動造成電磁波頻率一定的偏移，通過偏移量和多普勒頻率方程計算水面流速。測點水面多普勒流速計算公式：

式中：fd——多普勒頻率；

f0——發(fā)射頻率；

f1——接收到的回波頻率；

v0.0——水面流速，m/s；

c——電波在空氣中的傳播速度，s；

θ——發(fā)射波與水流方向的夾角，°。

實際應(yīng)用中，Pro II SVR 手持式電波流速儀測流指標范圍：測速范圍為0.20～18.00m/s，精度為±0.03 m/s；波束寬度設(shè)置為12°；計時范圍為0～99.9 s，計時精度0.1 s；微波功率50 MW；工作溫度-30℃～70℃；工作頻率為Ka 波段（34.7 GHz）；最大測程為100m（4 級靈敏度可調(diào)）。

4 電波流速儀系數(shù)試驗

4.1 流量比測方法

大廟水文站電波流速儀系數(shù)試驗，開始于2016年，共計進行流量比測試驗12 次，其水位變化范圍為6.94～7.22m，流量變幅為0.100～1.47m3/s。

電波流速儀系數(shù)比測方法：第一，用LS 25-1 型旋槳流速儀在測速垂線上0.6 相對位置，測驗垂線平均流速；在相應(yīng)測速測深垂線處，用電波流速儀測量水面流速，在測量過程中適當加大測深測速垂線密度。第二，分別用LS 25-1 型旋槳流速儀、電波流速儀的測量成果，計算斷面流量，以及電波流速儀虛流量。第三，用LS 25-1 型旋槳流速儀所測斷面流量、電流波速儀所測得的虛流量，計算出該次比測試驗的電波流速儀系數(shù)。

式中：Kn——電波流速儀系數(shù)；

Qi——電波流速儀流量，m/s；

Qci——LS 25-1 型旋槳流速儀流量，m/s。

為保證電波流速儀實驗的系數(shù)具有的代表性，需要在不同天氣及不同水情條件下進行對比測試，比測成果詳見表1。

表1 2016年大廟水文站電波流速儀系數(shù)試驗成果表

4.2 電波流速儀系數(shù)分析

通過12 次電波流速儀系數(shù)試驗，由電波流速儀虛流量和計算斷面流量比得出，最大系數(shù)為0.84，最小為0.53。以LS 25-1 型旋槳流速儀施測的斷面流量為真值，計算電波流速儀施測流量的相對標準差，和相對不確定度，并進行誤差分析。其中，相對標準差公式為：

式中：Se——相對標準差；

Qi——電波流速儀流量，m3/s；

Qci——LS 25-1 型旋槳流速儀流量，m3/s。

式中：X′——不確定度；

Se——相對標準差。

計算得相對誤差平均值為1.18%；將表2 數(shù)據(jù)代入公式（4）、（5）計算得，電波流速儀測量的相對標準差為15.12%，相對不確定度為30.24%。

表2 2016年大廟水文站電波流速儀測流誤差計算統(tǒng)計表

電波流速儀矯正系數(shù)計算公式為：

Ki——電波流速儀單次系數(shù)；

n——系數(shù)總次數(shù)。

經(jīng)電波流速儀比測試驗，將表1 中電波流速儀系數(shù)代入公式（6）計算得出，大廟水文站電波流速儀矯正系數(shù)為0.66。

5 結(jié)論與建議

實驗結(jié)果顯示，大廟水文站的電波流速儀矯正系數(shù)為0.66，此系數(shù)不僅可應(yīng)用于本站電波流速儀的測試，其他水文站的電波流速儀測流也可作為參考。在電波流速儀使用及其矯正系數(shù)的比測試驗中，總結(jié)了以下幾點注意事項：

第一，電波流速儀對工作環(huán)境的溫度要求不能低于0℃，使用的環(huán)境溫度應(yīng)在0℃～45℃之間。

第二，在進行測流實驗時，采用俯角進行電波流速儀的水流速測試，有時會出現(xiàn)異常情況，如測流不穩(wěn)定，當出現(xiàn)這種情況后，調(diào)整俯角角度進行更正后繼續(xù)測量。

第三，測試過程中應(yīng)注意水面的流速，如果水面過于平靜，就會導(dǎo)致回波非常弱而測不到流速，在測流過程中應(yīng)盡量貼近水面，低流速也會影響到測程，只有流速大于1m/s 時，能使測程達50m。水面漂浮物、波浪大可以更好的進行測試，得到的數(shù)據(jù)也會非常穩(wěn)定，測程也更大，最大測程可達100m。

第四，距水面1m 以內(nèi)時，可測到0.10m/s 的流速，甚至更低。在大風天使用電波流速儀時，還應(yīng)考慮風的影響；低流速時，風對水面流速影響明顯。

第五，雨天測流時，降水對測驗準確度有一定影響，可調(diào)整降雨參數(shù)，強降雨時，若測不到流速數(shù)據(jù)，可降低該值，若顯示降雨速度在5m/s 以上時，則增加該值，同時加大俯仰角度，同時采取保護措施避免雨水濺落到探頭上。

第六，本次比測的12 場水均為中低水，流速在垂線上的分布極不均勻，率定的電波流速儀系數(shù)偏小。該系數(shù)有待在以后大洪水測驗中不斷調(diào)試。