阜新地區(qū)電波雷達(dá)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)率定探討

孫 穎

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤山 124000)

0 引 言

當(dāng)前中小河流洪水成為防汛關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，中小河流由于大都處于比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)，沒有駐站人員完成定期的流量測驗(yàn)，大都采取巡測方式進(jìn)行流量測定[1]。中小河流洪水陡漲陡落，采用傳統(tǒng)測流方式，洪水的時(shí)效性很難得到有效滿足，常常措施洪峰觀測的最佳時(shí)機(jī)[2]。為此如何提高中小河流巡測的時(shí)效性成為近些年來水文科研工作研發(fā)關(guān)注的重點(diǎn)問題，一些流量測定產(chǎn)品也逐步被研發(fā)和應(yīng)用，這其中電波流速儀由于體積下，測定速率快，在許多地區(qū)中小河流水文巡測中得到應(yīng)用，尤其是應(yīng)急測流方面，應(yīng)用覆蓋面較大[3-9]。電波流速的測流原理在于通過對水流表面流速進(jìn)行測定，建立表面流速和斷面平均流速之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，將表面流速轉(zhuǎn)換得到斷面平均流速，再將得到的斷面平均流速和斷面面積進(jìn)行相乘得到通過斷面的流量。電波流速儀能被正常使用的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定，而電波流速儀的轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定在我國許多流域進(jìn)行了分析和研究，通過分析表明該轉(zhuǎn)換系數(shù)受河流特性影響較為明顯，需要針對不同類型河流，通過對比觀測方式，從而確定其流速轉(zhuǎn)換系數(shù)。為提高阜新地區(qū)中小河流應(yīng)急測流能力，文章通過對比觀測方式對電波雷達(dá)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行率定，分析阜新地區(qū)的最佳流速轉(zhuǎn)換系數(shù)。研究成果對于阜新地區(qū)中小河流監(jiān)測時(shí)效性具有重要的支撐作用。

2 電波雷達(dá)的測流原理

電波雷達(dá)主要基于多普勒效應(yīng)對水流表面流速進(jìn)行測定，水面波動以及懸浮物都可以為電波雷達(dá)提供反射能量。電波雷達(dá)可對水流高速流轉(zhuǎn)狀態(tài)下的表面流速進(jìn)行較為快速的測定。具體測流時(shí)，打開電波雷達(dá)的開光后朝向水面進(jìn)行發(fā)射信號，即開始進(jìn)行流速測定工作。初始發(fā)射時(shí)間維持在10s，此后每間隔5s進(jìn)行1次觀測，一般測流時(shí)間控制在1min以內(nèi)，這段時(shí)間測定的是水面平均流速值。電波雷達(dá)由于重量較輕可以單人手持也可以架設(shè)在三角架上，此外電波雷達(dá)由于耗電量不高，可以實(shí)現(xiàn)5h以上連續(xù)工作，可滿足多次測流的要求。電波雷達(dá)由于內(nèi)置傾斜傳感器，可以對水平改正較和仰俯角進(jìn)行手動選擇和自動改正，在異常天氣條件下具有防雨淋的功能。

3 測流方式及站點(diǎn)概況

3.1 測流方式

電波雷達(dá)一般在測驗(yàn)河段上的橋梁進(jìn)行流速測定工作，手持電波雷達(dá)在橋上對準(zhǔn)水面目標(biāo)進(jìn)行信號發(fā)射，水流流向一般和電波雷達(dá)保持平行，首先在電波雷達(dá)的MENU鍵選擇COS項(xiàng)對水平改正角度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整初始水平改正角度為0°。將流速單位設(shè)置按照U項(xiàng)進(jìn)行選擇，改為為EUR(m/s)。將顯示分辨率選擇MODE鍵調(diào)整100ths，在具體使用電波雷達(dá)時(shí)，需要對雷達(dá)槍進(jìn)行傾斜，且傾斜的俯角<60°。電波雷達(dá)順著水流或者面向水流方向且保持在恒定的俯角位置對水體表面流速進(jìn)行測定。

3.2 測站概況

文章選擇阜新地區(qū)彰武水文站作為研究實(shí)例，彰武水文站位于柳河中游，流域面積4985km2，柳河發(fā)源于內(nèi)蒙古庫倫旗扣河子鎮(zhèn)五星村，全長297 km，彰武站至河口距離為73 km，區(qū)間面積934 km2。流域地理位置為E122°10′05″-122°31′06″，N42°20′10″-42°50′30″。測驗(yàn)河段順直長約2000m，河心有沙灘，枯水形成分流，流心擺動不定，洪水時(shí)比降大、淤柴多、含沙量大，最大河寬443m?；舅邤嗝嫔嫌?30m處有建站前修建的鐵路橋一座。兩岸土堤，河床為細(xì)沙組成，洪水時(shí)漲沖落淤，河床變化較大。彰武水文站不同時(shí)期水位值，見表1。

表1 彰武水文站不同時(shí)期水位值

4 精度評價(jià)方法

需要采用傳統(tǒng)流速儀比測的方式對電波雷達(dá)的測驗(yàn)精度進(jìn)行分析。通過布設(shè)多條測速垂線采用流速儀和電波雷達(dá)的比測方式進(jìn)行檢驗(yàn)，對各垂線平均流速和電波雷達(dá)測定的表面流速進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。理論上，垂線平均流速和電波雷達(dá)測定的表面流速存在一個比值關(guān)系，即為水面流速系數(shù)，但在比測試驗(yàn)中由于存在一定的測驗(yàn)誤差，使得各比測試驗(yàn)該水面流速系數(shù)大小不一致，該系數(shù)值越小表面兩種對比觀測儀器之間的擬合程度越高，說明電波雷達(dá)的穩(wěn)定程度越高。一般情況下，在相同的斷面面積下，傳統(tǒng)流速儀和電波雷達(dá)測定的流量大小直接由流速大小決定。因此電波雷達(dá)穩(wěn)定性評定的一個重要指標(biāo)即為水面流速系數(shù)。流量定線的精度直接受到水面流速系數(shù)的直接影響。龍灣水文站為二類水文測站，因此采用河流流量測驗(yàn)規(guī)范要求，二類水文站電波雷達(dá)在95%的置信度水平下的隨機(jī)不確定度<10%，則表明電波雷達(dá)測定的流速較為可靠的穩(wěn)定性，滿足流量定線的精度要求。

5 比測試驗(yàn)結(jié)果

5.1 流速橫向分布檢驗(yàn)

將對比觀測中電波雷達(dá)和傳統(tǒng)流速儀在同一位置進(jìn)行流速的觀測，分析電波雷達(dá)和傳統(tǒng)流速儀的流速值，得到流速轉(zhuǎn)換系數(shù)，對傳統(tǒng)流速儀垂線平均流速和雷達(dá)槍表明流速進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證兩種儀器流速橫向分布的一致性。彰武水文站電波流速儀和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀流速測定對比結(jié)果，見表2。

表2 彰武水文站電波流速儀和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀流速測定對比結(jié)果

從對比結(jié)果可看出，在同一起點(diǎn)距位置電波雷達(dá)流速儀測定的流速均高于轉(zhuǎn)子流速儀測定的流速值，這主要是因?yàn)殡姴ɡ走_(dá)流速儀測定的水流的表面流速，而傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測定的是斷面平均流速，一般而言表面流速要高于斷面平均流速，因此電波流速儀測定的流速較為合理。在不同起點(diǎn)距下，電波流速儀和轉(zhuǎn)子流速儀之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)總體在0.56-0.94之間，且橫向分布具有同步性。各起點(diǎn)距的轉(zhuǎn)換系數(shù)的均值為0.82，單次測驗(yàn)的不確定度為10.6，可滿足河流流量測驗(yàn)的規(guī)范要求。

5.2 測驗(yàn)精度分析

通過對本站低中高水的進(jìn)行8次對比觀測試驗(yàn)，得出綜合水面流速系數(shù)為082，為進(jìn)一步驗(yàn)證系數(shù)的可靠性，建立雷達(dá)槍與流速儀水位流量關(guān)系。電波流速儀與轉(zhuǎn)子流速儀水位流量關(guān)系分析結(jié)果，見表3。

表3 電波流速儀與轉(zhuǎn)子流速儀水位流量關(guān)系分析結(jié)果

從電波流速儀測定的流量和轉(zhuǎn)子流速儀測定的彰武水文站流量可看出，未將電波流速儀表面流速和斷面平均流速進(jìn)行轉(zhuǎn)換前，彰武水文站采用電波流速儀測定的流量和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測定的流量之間的誤差>20%，不能滿足河流流量測驗(yàn)規(guī)范的要求，規(guī)范要求測流誤差需要控制在±20%以內(nèi)。采用電波流速儀流速轉(zhuǎn)換系數(shù)后，得到轉(zhuǎn)換后的電波雷達(dá)流量，將電波流速儀測定的表面流速轉(zhuǎn)換成斷面平均流速，得到轉(zhuǎn)換后的電波雷達(dá)測定流量，從轉(zhuǎn)換結(jié)果可看出，轉(zhuǎn)換后的電波雷達(dá)測定流量和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測定流量之間誤差在10%范圍內(nèi)，可滿足河流流量測驗(yàn)的規(guī)范要求，轉(zhuǎn)化后的電波測定流量和轉(zhuǎn)子流速儀測定的流量之間的相關(guān)系數(shù)在0.7以上。阜新地區(qū)河流類型較為相似，一般為山區(qū)型河流，河流斷面沖淤變化較大，在采用電波雷達(dá)流速儀進(jìn)行流量測定時(shí)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)采用值為0.82，從轉(zhuǎn)換后的水位流量關(guān)系看出，電波流速儀在高水位時(shí)水位流量關(guān)系一般較為穩(wěn)定，而在低水位由于流速較小，電波流速儀測定的水位流量關(guān)系受外界影響因素較多，穩(wěn)定性不高。

6 結(jié) 語

1)電波流速儀在阜新地區(qū)中高水位時(shí)，測定的流量和水位具有較好的穩(wěn)定性，因此適合于阜新地區(qū)中、高水位河流的應(yīng)急測流，而高流速下，電波流速儀的流速測定誤差有所增高，因此建議在具體適用時(shí)，當(dāng)水面流速>3m/s時(shí)，由于電波流速儀測流精度影響較大，建議可采用浮標(biāo)法進(jìn)行應(yīng)急測流。

2)由于電波流速儀無法施測水深，只能借用斷面計(jì)算流量，這就要求測驗(yàn)河段斷面穩(wěn)定。實(shí)際工作中，應(yīng)正確選擇測驗(yàn)河段，盡量避免環(huán)境因素影響，充分利用電波流速一完成高洪流量測驗(yàn)。