電波流速儀在大興鎮(zhèn)水文站洪水測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用

吳曉東，任晨曦，徐舜天

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局連云港分局，江蘇 連云港 222004；2.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250100；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650500）

大興鎮(zhèn)水文站位于山東省臨沭縣大興鎮(zhèn)大興一村，屬國(guó)家重要水文站，是淮河流域性河道新沭河干流重要控制站，也是石梁河水庫(kù)防汛調(diào)度的重要報(bào)汛站及水文預(yù)報(bào)重要站。站址斷面以上控制流域面積5 108 km2。本站主要監(jiān)測(cè)水位、流量、降水量、含沙量和水質(zhì)等水文要素，常規(guī)測(cè)驗(yàn)利用纜道采用轉(zhuǎn)子流速儀法進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)；在常規(guī)測(cè)流斷面上游約0.84 km處有大橋，為輔助斷面，測(cè)驗(yàn)方法為電波流速儀法。近年來(lái)大興鎮(zhèn)水文站連續(xù)遭遇洪水過(guò)程，防汛形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻，常規(guī)的轉(zhuǎn)子流速儀法測(cè)驗(yàn)受到極大挑戰(zhàn)。因此在大興鎮(zhèn)水文站洪水期間開(kāi)展電波流速儀測(cè)驗(yàn)是十分必要。

1 測(cè)驗(yàn)原理和方法

1.1 測(cè)驗(yàn)原理

電波流速儀法采用電波雷達(dá)槍開(kāi)展流速測(cè)驗(yàn)，主要基于多普勒效應(yīng)對(duì)水流表面流速進(jìn)行測(cè)定。電波流速儀發(fā)出一個(gè)微波能量束（無(wú)線電波），當(dāng)這個(gè)波的能量撞擊水面時(shí)，波能量的一部分返回到雷達(dá)設(shè)備天線，返回信號(hào)的頻率變化與目標(biāo)速度成比例，根據(jù)發(fā)射和返回信號(hào)頻率的不同，可較快的測(cè)定水面平均流速。

電波雷達(dá)槍可實(shí)現(xiàn)5 h以上連續(xù)工作，能滿足多次測(cè)流的要求，且設(shè)備內(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，確保測(cè)驗(yàn)精度。另外在異常天氣條件下具有防雨淋的功能，適用性較強(qiáng)。

1.2 測(cè)驗(yàn)方法

1）測(cè)驗(yàn)斷面。大興鎮(zhèn)水文站電波流速儀橋測(cè)斷面位于纜道測(cè)驗(yàn)斷面上游約0.84 km處，兩個(gè)斷面之間河道順直，斷面形狀基本一致，在中高水期間河道水面寬度超200 m，斷面詳情見(jiàn)圖1。

圖1 電波流速儀橋測(cè)大斷面圖

2）測(cè)速垂線。電波流速儀測(cè)驗(yàn)斷面測(cè)速垂線與纜道測(cè)驗(yàn)斷面測(cè)速垂線布置完全一致，按每10 m間距布設(shè)一條垂線，并將測(cè)驗(yàn)位置在大橋上標(biāo)注好。

3）流速測(cè)驗(yàn)。打開(kāi)儀器開(kāi)關(guān)，設(shè)置好儀器參數(shù)，調(diào)整好水平方位角和俯角，將電波流速儀探頭瞄準(zhǔn)到測(cè)流斷面垂線上，即開(kāi)始流速測(cè)定工作。初始發(fā)射時(shí)間維持在10 s，此后每間隔5 s進(jìn)行一次觀測(cè)，一般測(cè)流時(shí)間控制在1 min以內(nèi)完成。流速測(cè)驗(yàn)完成后，需現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)流速曲線分布圖和斷面圖分析流速合理性，對(duì)已測(cè)流速與實(shí)際流速不符的需要重新測(cè)驗(yàn)。

2 比測(cè)成果

近年來(lái)，大興鎮(zhèn)水文站連續(xù)遇到超標(biāo)洪水考驗(yàn)，其中2020年該站測(cè)得歷史最大流量6 080 m3/s，測(cè)驗(yàn)斷面平均流速超4 m/s。2020—2021年，大興鎮(zhèn)水文站針對(duì)纜道轉(zhuǎn)子流速儀法和電波流速儀法同步開(kāi)展了8次比測(cè)試驗(yàn)，水位、流量覆蓋中高水位。具體比測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 均值系數(shù)法確定的流速系數(shù)成果表

3 分析率定

3.1 均值系數(shù)法

按照式（1）計(jì)算各測(cè)次的流速系數(shù)K0，然后取均值，得到電波流速儀綜合水面流速系數(shù)K，相關(guān)成果見(jiàn)表1。由表1知綜合流速系數(shù)K為1.03。

3.2 線性相關(guān)法

對(duì)纜道斷面平均流速與電波流速儀表面流速建立相關(guān)關(guān)系，求解回歸方程，見(jiàn)式（2）。

式中：c為常數(shù)；K為系數(shù)，當(dāng)c為0時(shí)，K即為流速系數(shù)。

根據(jù)實(shí)測(cè)成果，繪制斷面平均流速與電波流速儀表面流速關(guān)系線見(jiàn)圖2，經(jīng)線性函數(shù)回歸分析并定線，結(jié)果為：Y=1.019 5X，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 3。式中，Y為斷面實(shí)測(cè)斷面平均流速，m/s；X為電波流速儀表面流速，m/s。

圖2 流速相關(guān)關(guān)系圖

通過(guò)采取相關(guān)分析法分析，電波流速儀與纜道轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)驗(yàn)的流速之間相關(guān)關(guān)系較好，為顯著相關(guān)。

3.3 率定成果及誤差分析

本文針對(duì)兩種計(jì)算方法比測(cè)率定成果進(jìn)行三項(xiàng)檢驗(yàn)，計(jì)算系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差及隨機(jī)不確定度，成果見(jiàn)表2。

表2 比測(cè)率定分析成果

由表2可見(jiàn)，兩種方法比測(cè)率定的成果通過(guò)三項(xiàng)檢驗(yàn)，但誤差和隨機(jī)不確定度存在一定的差異。按照《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）對(duì)流速儀法測(cè)驗(yàn)的精度相關(guān)規(guī)定，均值系數(shù)法比測(cè)率定分析成果達(dá)到三類(lèi)精度水文站的精度指標(biāo)要求，線性相關(guān)法比測(cè)率定分析成果達(dá)到一類(lèi)精度水文站的精度指標(biāo)要求。

3.4 流速系數(shù)確定

通過(guò)分析，電波流速儀與纜道轉(zhuǎn)子流速儀的測(cè)驗(yàn)成果是密切相關(guān)的。從比測(cè)率定成果和精度指標(biāo)來(lái)看，線性相關(guān)法的計(jì)算成果滿足大興鎮(zhèn)水文站作為一類(lèi)精度水文站的相關(guān)要求。在水文資料整編中，一般將流速系數(shù)取值為小數(shù)點(diǎn)后兩位，因此，大興鎮(zhèn)水文站電波流速儀流速系數(shù)確定為1.02。

4 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)比測(cè)率定試驗(yàn)，電波流速儀在大興鎮(zhèn)水文站洪水測(cè)驗(yàn)應(yīng)用過(guò)程中相關(guān)成果滿足該站一類(lèi)精度水文站的相關(guān)精度，符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，即電波流速儀應(yīng)用于大興鎮(zhèn)水文站洪水測(cè)驗(yàn)是可行的，該站電波流速儀的流速系數(shù)為1.02。

2）測(cè)驗(yàn)過(guò)程盡可能避開(kāi)大雨、暴雨期間，同時(shí)測(cè)驗(yàn)操作過(guò)程中應(yīng)將俯角調(diào)整到對(duì)降雨影響最小的60°。

3）建議不斷補(bǔ)充完善大興鎮(zhèn)水文站不同水位級(jí)和流量級(jí)的比測(cè)分析工作，進(jìn)一步優(yōu)化電波流速的流速系數(shù)，不斷提高工作效率，積極為地區(qū)防汛抗旱提供準(zhǔn)確水文數(shù)據(jù)和水文情報(bào)預(yù)報(bào)。

4）電波流速儀與側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流儀原理相同，電波流速儀的成功應(yīng)用對(duì)大興鎮(zhèn)水文站后期開(kāi)展的側(cè)掃雷達(dá)實(shí)時(shí)在線測(cè)流的推廣應(yīng)用具有較好的參考意義。