電波雷達(dá)在營(yíng)口地區(qū)中小河流應(yīng)急監(jiān)測(cè)的適用性探討

李 升

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

0 前 言

電波流速儀由于體積小，測(cè)流時(shí)效性強(qiáng)，近些年來(lái)在國(guó)內(nèi)許多地區(qū)得到推廣和應(yīng)用[1-6]。電波流速儀的測(cè)定原理是基于多普勒效應(yīng)通過(guò)測(cè)定河流表面流速，并建立表面流速和斷面平均流速的轉(zhuǎn)換關(guān)系，推求斷面平均流速，在結(jié)合施測(cè)斷面面積，得到斷面流量[7]。任何儀器都有自身適應(yīng)性，只有結(jié)合儀器特性，利用最佳測(cè)驗(yàn)性能才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)[8]。此外電波流速儀要在區(qū)域中小河流應(yīng)急監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用，需要對(duì)其表面流速和斷面平均流速的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行分析，確定轉(zhuǎn)換系數(shù)，才能有效的應(yīng)用電波流速儀在中小河流應(yīng)急監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用[9]。為在營(yíng)口地區(qū)中小河流中采用電波流速儀進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，采用對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)的方式，即在同一位置同時(shí)采用電波流速儀和傳統(tǒng)流速儀對(duì)流量進(jìn)行觀(guān)測(cè)，結(jié)合河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范GB50179-2015通過(guò)測(cè)驗(yàn)誤差判定其最佳的流速轉(zhuǎn)換系數(shù)。研究成果對(duì)于營(yíng)口地區(qū)中小河流洪水應(yīng)急監(jiān)測(cè)的方式具有重要的參考意義。

1 電波雷達(dá)的測(cè)流原理

電波雷達(dá)主要基于多普勒效應(yīng)對(duì)水流表面流速進(jìn)行測(cè)定，水面波動(dòng)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(duì)水流高速狀態(tài)下的表面流速進(jìn)行較為快速的測(cè)定。具體測(cè)流時(shí)，打開(kāi)電波雷達(dá)的開(kāi)關(guān)后朝向水面發(fā)射信號(hào)，即開(kāi)始進(jìn)行流速測(cè)定工作。初始發(fā)射時(shí)間維持在10s，此后每間隔5s進(jìn)行一次觀(guān)測(cè)，一般測(cè)流時(shí)間控制在1min以?xún)?nèi)，這段時(shí)間測(cè)定的是水面平均流速值。電波雷達(dá)由于重量較輕可單人手持也可架設(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，能滿(mǎn)足多次測(cè)流要求。電波雷達(dá)由于內(nèi)置傾斜傳感器，可以對(duì)水平改正角和仰俯角進(jìn)行手動(dòng)選擇和自動(dòng)改正，在異常天氣條件下具有防雨淋的功能。

2 測(cè)流方式及站點(diǎn)概況

2.1 測(cè)流方式

電波雷達(dá)一般可在測(cè)驗(yàn)河段上的橋梁進(jìn)行流速測(cè)定工作，手持電波雷達(dá)在橋上對(duì)準(zhǔn)水面目標(biāo)進(jìn)行信號(hào)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(duì)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(duì)雷達(dá)槍進(jìn)行傾斜，且傾斜的俯角低于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(duì)水體表面流速進(jìn)行測(cè)定。

2.2 測(cè)站概況

熊岳水文站位于熊岳河下游，地處蓋州市熊岳鎮(zhèn)鐵東街，E122°08′50″，N40°09′49″，集水面積307km2，斷面以上河長(zhǎng)為31.9km，主河道比降為6.3‰。主要支流有熊岳河，流域形狀系數(shù)為0.302。區(qū)域內(nèi)共有3個(gè)雨量站，分別是鮑家屯、八道河、熊岳，平均每站控制面積為102.3 km2。

3 精度評(píng)價(jià)方法

需要采用傳統(tǒng)流速儀比測(cè)的方式對(duì)電波雷達(dá)的測(cè)驗(yàn)精度進(jìn)行分析。通過(guò)布設(shè)多條測(cè)速垂線(xiàn)同時(shí)采用流速儀和電波雷達(dá)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。按照河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范GB50179-2015要求，電波雷達(dá)測(cè)定的流量和傳統(tǒng)流速儀測(cè)定流量的誤差低于20%，則表明電波雷達(dá)測(cè)定的流速較為可靠的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足河道流量測(cè)驗(yàn)的精度要求。

4 比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

4.1 流速橫向分布檢驗(yàn)

將電波雷達(dá)和傳統(tǒng)流速儀在同一位置進(jìn)行流速的觀(guān)測(cè)。點(diǎn)繪電波雷達(dá)和傳統(tǒng)流速儀的流速橫向分布。對(duì)傳統(tǒng)流速儀垂線(xiàn)平均流速和雷達(dá)槍表面流速進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證兩種儀器流速橫向分布的一致性，分析結(jié)果如表1所示。

表1 熊岳水文站電波流速儀和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀流速測(cè)定對(duì)比結(jié)果

對(duì)比觀(guān)測(cè)的方式主要是通過(guò)在同一位置采用電波流速儀和傳統(tǒng)流速儀進(jìn)行對(duì)比觀(guān)測(cè)，熊岳水文站斷面寬度為200m，為此對(duì)比試驗(yàn)間隔20m起點(diǎn)距進(jìn)行一次對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，共計(jì)進(jìn)行11組對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，從對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著起點(diǎn)距的增加，電波雷達(dá)流速儀和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定的流速具有較好的橫向分布，即在同一位置，轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定流速較大其電波流速儀測(cè)定的流速也較大，總體電波流速儀測(cè)定的流速高于轉(zhuǎn)子流速儀，這主要是因?yàn)殡姴ɡ走_(dá)流速儀測(cè)定的是河流表面流速，表面流速要高于斷面平均流速，因此其轉(zhuǎn)換系數(shù)一般低于1.0，綜合對(duì)比11組比測(cè)試驗(yàn)，熊岳水文站電波雷達(dá)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)綜合值為0.84，從其確定度分析結(jié)果可看出，不同觀(guān)測(cè)試驗(yàn)次數(shù)下其不確定可在河流測(cè)驗(yàn)規(guī)范GB50179-2015要求，單次不確定度為10.4，可見(jiàn)綜合率定的熊岳水文站電波雷達(dá)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)可滿(mǎn)足河流流量測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求。

4.2 測(cè)驗(yàn)精度分析

通過(guò)對(duì)該站低中高水的進(jìn)行8次對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，得出綜合水面流速系數(shù)為0.84，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。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 熊岳站電波流速儀與轉(zhuǎn)子流速儀水位流量關(guān)系分析結(jié)果

從不同水位下的電波雷達(dá)流速儀轉(zhuǎn)換流量可看出，其和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀之間測(cè)定的流量誤差均可在20%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足河流測(cè)驗(yàn)規(guī)范GB50179-2015的測(cè)流誤差要求。對(duì)于電波雷達(dá)流速儀而言，環(huán)境的差異也可能導(dǎo)致不同的情境出現(xiàn)，從而導(dǎo)致顯示錯(cuò)誤的速度。例如，目標(biāo)工作范圍內(nèi)外有干擾信號(hào)等。電機(jī)產(chǎn)生的EMI干擾，無(wú)線(xiàn)電頻率干擾，其它電子設(shè)備干擾，都會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)速度錯(cuò)誤。對(duì)于營(yíng)口地區(qū)中小河流流速速度0.2-0.7m/s的水流，風(fēng)雨雪的影響極大，所以電波流速儀對(duì)于營(yíng)口地區(qū)高洪流量的測(cè)驗(yàn)比較適用。此外，電波雷達(dá)測(cè)速時(shí)間可短些，流速小時(shí)，測(cè)速時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。常規(guī)下，流速>1m/s時(shí)，測(cè)速時(shí)間可在 20-30s；流速在0.5-1.0m/s時(shí)，測(cè)速時(shí)間可在30-60s；流速<0.5m/s時(shí)，測(cè)速時(shí)間可在60-90s。

5 應(yīng)用結(jié)論

1)通過(guò)比測(cè)分析，電波雷達(dá)在營(yíng)口地區(qū)中小河流流量監(jiān)測(cè)具有適用范圍，一般當(dāng)表面流速高于0.7m/s的水流，外界干擾對(duì)電波雷達(dá)測(cè)定精度影響較小，可采用電波雷達(dá)進(jìn)行測(cè)流，其轉(zhuǎn)換系數(shù)可設(shè)置為0.84，儀器適用于營(yíng)口地區(qū)高洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)；

2)電波流速只測(cè)定流速，而不對(duì)斷面水深進(jìn)行觀(guān)測(cè)，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程，應(yīng)盡量選擇順直且斷面沖淤變化較小的河段進(jìn)行測(cè)流，盡量降低環(huán)境對(duì)電波雷達(dá)產(chǎn)生的測(cè)流影響。