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

卞曉穎

(法庫縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心，遼寧 法庫 110400)

0 引 言

電波雷達(dá)流速通過測(cè)定水流表面流速，通過流速系數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)得到斷面平均流速，在結(jié)合過水?dāng)嗝婷娣e可以推求斷面流量，這種方式目前成為我國河流應(yīng)急水文監(jiān)測(cè)的一種重要方式得到推廣和應(yīng)用[1-5]。電波流速儀需要對(duì)其流速轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行率定才可以對(duì)斷面平均流速進(jìn)行推求，因此需要對(duì)其流速轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行分析，當(dāng)前，對(duì)于電波雷達(dá)流速儀轉(zhuǎn)換系數(shù)推求主要采用對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)的方式進(jìn)行，通過同一個(gè)觀測(cè)斷面進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)分析，對(duì)電波流速儀測(cè)定的表面流速和實(shí)測(cè)斷面平均流失之間的系數(shù)進(jìn)行分析，從而得到電波流速儀的轉(zhuǎn)換系數(shù)[6-15]。丹東地區(qū)屬于遼寧省暴雨洪水易發(fā)區(qū)，區(qū)域山區(qū)型河流較多，洪水陡漲陡落，為保證突發(fā)洪水測(cè)流的時(shí)效性，需要采用電波雷達(dá)流速儀進(jìn)行應(yīng)急觀測(cè)，從而加密水文觀測(cè)的次數(shù)，為防汛決策提供及時(shí)有效的支撐依據(jù)。為此文章采用對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)的方式，以丹東沙里寨水文站為研究站點(diǎn)，分析其電波雷達(dá)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)，從而為電波雷達(dá)流速儀在丹東地區(qū)的推廣和應(yīng)用提供參考。

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)水流高速流轉(zhuǎn)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)，打開電波雷達(dá)的開光后朝向水面進(jìn)行發(fā)射信號(hào)，即開始進(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鐘進(jìn)行一次觀測(cè)，一般測(cè)流時(shí)間控制在1min以內(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)5小時(shí)以上連續(xù)工作，可滿足多次測(cè)流的要求。電波雷達(dá)由于內(nèi)置傾斜傳感器，可以對(duì)水平改正較和仰俯角進(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

文章選擇丹東沙里寨水文站為研究實(shí)例，測(cè)驗(yàn)河段順直長約400m，河槽為單式U字形，較平坦，河床為細(xì)紗卵石組成。兩岸為石砌護(hù)岸，岸上為公路，高程78m以上。中高水河寬約500m?；緮嗝嫔嫌?50m處有本年新修建的橡膠壩一座，不能儀測(cè)流量和含沙，中高水可用浮標(biāo)、比降施測(cè)流量。在基本斷面上游385m有公路大橋一座，為中高水測(cè)流斷面?；?00m為比降上兼浮標(biāo)上斷面，基下100m為比降下兼浮標(biāo)下斷面，基上385 m為流速儀測(cè)流斷面。

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。通過布設(shè)多條測(cè)速垂線采用流速儀和電波雷達(dá)的比測(cè)方式進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)各垂線平均流速和電波雷達(dá)測(cè)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(cè)定的表面流速存在一個(gè)比值關(guān)系，即為水面流速系數(shù)，但在比測(cè)試驗(yàn)中由于存在一定的測(cè)驗(yàn)誤差，使得各比測(cè)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(duì)比觀測(cè)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(cè)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(píng)定的一個(gè)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。沙里寨文站為二類水文測(cè)站，因此采用河流流量測(cè)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)不確定度低于10%，則表明電波雷達(dá)測(cè)定的流速較為可靠的穩(wěn)定性，滿足流量定線的精度要求。

4 比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

4.1 流速橫向分布檢驗(yàn)

將對(duì)比觀測(cè)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(cè)，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)，見表1，對(duì)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。

表1 沙里寨水文站不同時(shí)期水位值

從不同起點(diǎn)距可看出，隨著起點(diǎn)距的增加，流速轉(zhuǎn)換系數(shù)變化規(guī)律性不明顯，起點(diǎn)距對(duì)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)影響程度不高。此外，流速轉(zhuǎn)化系數(shù)越高，不確定度越大，表明流速轉(zhuǎn)換系數(shù)和不確定度之間具有較為顯著的相關(guān)性。這主要是因?yàn)殡姴ɡ走_(dá)流速儀測(cè)定的水流的表面流速，而傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)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(cè)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0.85，單次測(cè)驗(yàn)的不確定度為10.9，可滿足河流流量測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求。

4.2 測(cè)驗(yàn)精度分析

通過對(duì)本站低中高水的進(jìn)行8次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，得出綜合水面流速系數(shù)為085，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)果見表2。

表2 丹東沙里寨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

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

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

從不同基本水尺水位下未轉(zhuǎn)換前電波流速儀流量和電波雷達(dá)流速系數(shù)可看出，電波雷達(dá)系數(shù)為0.85，在未轉(zhuǎn)換前，電波雷達(dá)流速儀流量和轉(zhuǎn)子流速儀之間測(cè)定的流量誤差較大，通過分析測(cè)定流量之間的誤差高于20%，很難滿足水文測(cè)驗(yàn)的精度要求。這主要是因?yàn)殡姴ɡ走_(dá)流速儀主要測(cè)定的河流表面流速，而表面流速均要高于斷面平均流速，使得未轉(zhuǎn)換前電波雷達(dá)流速儀測(cè)定的流量明顯要高于轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定的流量。而進(jìn)行雷達(dá)流速系數(shù)轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換后的電波雷達(dá)流量和轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定的流量之間的誤差均低于20%，可滿足河流測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求，尤其是可滿足河流應(yīng)急測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求。丹東一般為山區(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(cè)定時(shí)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)采用值為0.85，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(cè)定的水位流量關(guān)系受外界影響因素較多，穩(wěn)定性不高。

5 結(jié) 語

1)電波流速儀在阜新地區(qū)中高水位時(shí)，測(cè)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(cè)流，而高流速下，電波流速儀的流速測(cè)定誤差有所增高，因此建議在具體適用時(shí)，當(dāng)水面流速高于2.5m/s時(shí)，由于電波流速儀測(cè)流精度影響較大，建議可采用浮標(biāo)法進(jìn)行應(yīng)急測(cè)流。

2)丹東一般為山區(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(cè)定時(shí)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)采用值為0.85，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(cè)定的水位流量關(guān)系受外界影響因素較多，穩(wěn)定性不高。