電波流速儀在遼寧地區(qū)中小河流測站高洪應急監(jiān)測的比測分析研究

豐亞麗

（遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124000）

0 前言

目前我國測報一體化主要取決于流量、泥沙的自動測報。近十年，雨量、水位、蒸發(fā)、墑情自動監(jiān)測技術已日趨成熟，就遼寧省而言，當前，雨量站、水位站已完全實現(xiàn)遙測，而流量、泥沙自動監(jiān)測站卻寥寥無幾［1]。目前流量測驗仍以傳統(tǒng)的流量測驗方法作為主要的測驗手段。如流速儀法［2]、浮標法［3]（中泓漂浮物）及比降面積法［4]。高洪流量測驗對防汛決策意義重大，尤其是高洪流量對水利、交通以及防洪工程的影響均較高，因此進行高洪應急測驗方式的研究十分重要。但洪峰流量較大時，河流流速較大，水深較高，河流水位上漲下落速率較快，洪水攜帶大量的泥沙和漂浮物使得水文測驗難度較大，流量測驗的安全系數(shù)較低［5]。在常規(guī)測流方式中，流速儀以及ADCP 法測驗精度較好，但是測流儀器都需要和水面進行接觸，受到高洪水影響安全性難以得到有效保證。比降面積法和中泓浮標法的操作原理較為方便，且安全性能較好，但是測驗精度很難得到保證［6]。電波流速儀通過對水流表面的流速進行測定，建立表面流速和斷面平均流速之間的相關性，來對斷面流量進行推求。近些年來在一些地區(qū)河流應急監(jiān)測中得到廣泛應用［7-12]，通過比測分析，電波流速儀在高洪應急監(jiān)測的精度可滿足測驗基本要求。近些年來，電波流速儀已逐步在遼東地區(qū)得到應用，但在中小河流高洪應急監(jiān)測中應用還較少，而當前中小河流已成為防汛關注的重點區(qū)域，其高洪水的及時監(jiān)測，可為中小河流防汛決策提供重要的數(shù)據(jù)支撐。為此本文以遼東地區(qū)某中小河流測站為實例，探討電波流速儀在中小河流高洪監(jiān)測的精度。

1 電波流速儀測定原理

電波流速儀是利用雷達多普勒效應來測定水流的流速，對雷達波反射距離和雷達接收參數(shù)進行定量分析。雷達發(fā)射和天線增益功率分別為Pt和Gt，目標距離天線R距離的功率密度ρ1的計算方程為：

電磁照射將使得目標返回散射波，假定目標散射面積為σ，并假定接收的輻射功率能夠使得散射目標損耗最低，則反射的功率目標值Ps計算方程為：

每個目標散射單位面積為σ0，雷達波及反射角度的分辨率分別為ΔR和Δθ，河流按照距離和單位劃分的面積需要滿足的條件為：

假設PS均勻輻射，則在接收天線處收到的回波功率密度P2為：

為保證雷達發(fā)射波距離目標較近，回波接收雷達功率Pr需要符合檢測信號功率Smin的最低值，即為雷達波反射距離的最大值Rmax需要滿足的條件為：

實際探測中，難以準確預測目標的有效反射面積、系統(tǒng)損耗等參數(shù)，因此雷達方程常用來作為一個估算雷達性能的公式。

2 電波流速儀的主要特點和操作步驟

2.1 主要特點

電波流速主要特點為：①總重1.3 kg，水文測驗人員可獨立進行流量測定工作。②耗電少，內(nèi)置電池可持續(xù)工作5 h，沒有任何操作情況下每隔5 min 電波流速儀自動關機。③可對仰俯角通過內(nèi)置的傾斜傳感器進行自動改正，水平改正角則通過人工進行修正。④在天氣較為惡劣情況下可正常使用。

2.2 操作步驟

電波流速儀通過測定表面流速，建立表面流速和斷面平均流速的關系，來對斷面流量進行推求，水流表面的漂浮物和水流波動都能使得電波流速儀的測流精度產(chǎn)生一定程度的影響，因此在具體使用時，開機后立即進行流速的測定，起始時間為10 s，每間隔5 s 進行下一次流速的測定，1 min 后流速測定過程結束，對測定的流速進行時段平均值的計算。

當測驗河段有橋面，則電波流速儀可以安裝橋梁上，將電波流速儀對準水流，并平行于水流方向，按MENU 鍵，選擇COS項，將水平改正角度置為0°；選擇U 項，將流速單位改為EUR（m/s）。按MODE 鍵，將顯示分辨率設置成100 ths，傾斜雷達槍，俯角不要超過60°，且使雷達槍保持在恒定的俯角位置，面向水流或順著水流測量水面流速。

3 對比觀測流量測驗的精度評定方法及誤差標準

按照《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）相關要求，按照以下方程對不同標準差的流量分量進行估算：

式中：SY表示為相對流量分量標準差，%；表示不同流量分量的均值；Yi表示第i個流量分量的測驗值。

在此基礎上結合不確定度來分析流量測驗精度，在不同水位級別下對總不確定度進行估算，各獨立流量分量的隨機不確定度按照95%置信水平進行估算：①當對比分析的樣本數(shù)據(jù)系列高于30 的情況下，隨機不確定度為相對標準差的2 倍；②當對比分析的樣本數(shù)據(jù)系列小于30 的情況下，按照T 檢驗的相對標準差和檢驗值進行相乘得到綜合不確定度。

表1 不同水平對應的檢驗值

結合儀器出廠時率定的指標對其不確定度進行分析，當流量剖分成相互獨立的分量后，對總隨機不確定度進行分析：

4 對比觀測分析

4.1 站點概況

本文以遼寧某中小河流站為實例，水文測站以上的流域面積為854 km2，屬于三類測驗精度站，測驗河段主河道水流向左偏轉，高洪期間流速大，河道平均比降較大，在測驗斷面下游的300 m 處有一個急灣，左岸和右岸分別為砂土緩坡和砂石陡坡，沙卵石為其河床主要組成，河段斷面沖淤變化較為穩(wěn)定。

4.2 流速系數(shù)分析

雷達槍測速的穩(wěn)定性，需要同流速儀進行比測檢驗。通過多條測速垂線上雷達槍與流速儀比測試驗，檢驗雷達槍測得表面流速沿斷面橫向分布與流速儀是否一致，檢驗雷達槍表面流速與流速儀垂線平均流速兩者相關關系。理論上，兩者流速應存在固定的比值關系（即水面流速系數(shù)），但實際上多次實驗總是存在著測驗誤差，致使各次比值大小不一。比值變化范圍越小，兩種儀器測速擬合度越高，也就是說明雷達槍測速的穩(wěn)定性越好。眾所周知，斷面面積相同的情況下，雷達槍與流速儀測得的流量主要取決于相應的流速。所以水面流速系數(shù)可以作為判斷雷達槍穩(wěn)定性的一個重要指標。系數(shù)的取值直接影響流量定線精度。這里引用二類站單一曲線法定線精度指標作為控制標準，當雷達槍水面流速系數(shù)置信水平95%的隨機不確定度不大于10%，則認為雷達槍測速穩(wěn)定可靠，滿足流量定線精度，可以使用。對研究站點進行6 個測次的電波流速儀與傳統(tǒng)轉子流速儀流速系數(shù)的對比分析，見表2 和表3。

表2 電波流速儀與傳統(tǒng)轉子流速儀流速系數(shù)對比（測次1～測次3）

表3 電波流速儀與傳統(tǒng)轉子流速儀流速系數(shù)對比（測次4～測次6）

通過對研究站點6 個測次下電波流速儀和轉子流速儀的流速系數(shù)對比結果可看出，得出采用電波流速儀下綜合水面流速系數(shù)為0.84，綜合不確定度為2.2%。滿足河流高洪應急測驗的規(guī)范要求，即當電波流速儀水面流速系數(shù)置信水平為95%的隨機不確定度不大于10%，則認為雷達槍測速穩(wěn)定可靠，滿足流量定線精度，可以使用。在具體使用電波流速儀進行高洪應急監(jiān)測時，按MENU 鍵，選擇COS 項，將水平改正角度置為0°；選擇U 項，將流速單位改為EUR（m/s）。按MODE 鍵，將顯示分辨率設置成100 ths，傾斜雷達槍，俯角不要超過60°，且使雷達槍保持在恒定的俯角位置，面向水流或順著水流測量水面流速。

4.3 測驗精度對比分析

結合測定的綜合流速系數(shù)對比分析了電波流速儀和傳統(tǒng)流速下的流量測定精度，結果見表4。

表4 電波流速儀和傳統(tǒng)流速儀的流量測定對比結果

結合對水文測站的觀測試驗分析，電波流速儀在高洪應急測驗上具有一定的精度，若操作和使用較為準確，電波流速儀測定精度可有效滿足高洪應急監(jiān)測的需求。但是，外部環(huán)境情況也可能導致不同的情境出現(xiàn)，從而導致顯示錯誤的速率。例如，目標處于工作范圍外；工作范圍內(nèi)有干擾信號等。電機產(chǎn)生的EMI 干擾，無線電頻率干擾，其它電子設備干擾，會使得測驗產(chǎn)生一定的誤差，當流速處于0.2 m/s～0.5 m/s 之間，惡劣天氣影響程度較高。因此電波流速儀在高洪應用的效果較好，此外由于電波流速儀不能對水深進行測定，因此需結合斷面測量數(shù)據(jù)對流量進行分析，由于其對斷面變化要求較高，在具體應用中，應盡量選擇順直的測驗河段，降低環(huán)境影響，

5 分析結論

（1）通過測站對比試驗分析，電波流速儀可以應用在中小河流高洪流量應急測驗上，由于電波流速儀不能對水深進行測定，因此需結合斷面測量數(shù)據(jù)對流量進行分析，由于其對斷面變化要求較高，在具體應用中，應盡量選擇順直的測驗河段，降低環(huán)境影響。

（2）高洪應急測驗時，應使電波流速儀的指向平行于河流水向，調(diào)整電波流速儀的俯角小于60°并對水平角度進行改正，從而保證電波流速的高洪應急測驗精度。