馬渡王水文站電波流速儀（手持式）水面流速系數(shù)分析報(bào)告

崔 俊

（西安水文水資源勘測(cè)中心,陜西 西安 710100）

1 前言

馬渡王水文站中低水采用流速儀法施測(cè)流量,中高水采用纜道鉛魚(yú)施測(cè)流量。在洪水漲落急劇,含沙量大,漂浮物多等復(fù)雜水情下,流速儀難以施測(cè),浮標(biāo)成活率低,采用電波流速儀施測(cè)水面流速,可以彌補(bǔ)浮標(biāo)法測(cè)流成活率低的缺陷,為科技含量較高的測(cè)流方法。為了使電波流速儀盡快投入使用,需對(duì)電波流速儀水面系數(shù)進(jìn)行率定。

馬渡王水文站開(kāi)始進(jìn)行電波流速水面系數(shù)率定工作,即在吊箱纜道采用流速儀測(cè)流同時(shí),電波流速儀施測(cè)水面流速。

2 概況

2.1 測(cè)站基本情況

馬渡王水文站位于西安市東郊灞橋區(qū)席王街道辦事處馬渡王村,流域面積2577 km2,測(cè)站控制集水面積1601 km2,控制河長(zhǎng)73.9 km,河流平均比降5.98‰。馬渡王水文站為灞河下游控制站,系二類精度水文站,省級(jí)重要站,國(guó)家基本站。1952 年6 月陜西省水利局設(shè)立,站址在藍(lán)田縣的新街鎮(zhèn),故站名為新街鎮(zhèn)水文站；1956 年6月5日將站址遷至西安市馬渡王,改站名為馬渡王水文站,該站地處白鹿塬北坡下,灞河是渭河南一級(jí)支流,為灞河中游控制站,省級(jí)重要水文站。馬渡王水文站實(shí)測(cè)最大流量1480 m3/s（1982.8.1）,次大實(shí)測(cè)流量1140 m3/s（1965.7.21）,第三大實(shí)測(cè)流量998 m3/s（2011.9.11）,實(shí)測(cè)最小流量0.060 m3/s,多年平均流量14.4 m3/s；多年平均徑流量4.417 億m3,多年最大徑流量10.5億m3,多年最小徑流量1.251 億m3,多年平均降水量617.1 mm；多年最大降水量999.0 mm,多年最小降水量364.0 mm。馬渡王水文站主要任務(wù)是收集灞河流域主要水文特征,掌握下游河段水量、沙量變化規(guī)律,分析研究灞河流域降雨徑流關(guān)系及產(chǎn)匯流規(guī)律,為內(nèi)插不同流域水文特征提供基本數(shù)據(jù),為灞河下游、黃河及三門(mén)峽庫(kù)區(qū)防汛提供水文情報(bào)、預(yù)報(bào),為西安市防洪、河道治理、城市建設(shè)供水情服務(wù)。

2.2 流域概況

灞河發(fā)源于陜西省藍(lán)田縣灞源鎮(zhèn)麻界村,河流自東南流向西北,經(jīng)藍(lán)田縣和西安東郊、北郊草灘匯入渭河。河長(zhǎng)104 km,流域面積2582 km2,河流平均比降1.98‰。灞河支流有：輞川河、零河、紅河、灞河。多年平均徑流量4.543億m3,多年平均降雨量為617.1 mm,年平均氣溫17.9℃。

2.3 測(cè)驗(yàn)斷面

該站地處渭河南岸白鹿塬北坡下,屬灞河中游控制站。測(cè)驗(yàn)段面順直,斷面河床由沙卵石組成?；舅邤嗝嬉陨?00 m處有一滾水壩,基本斷面下5 m靠左岸處有一雞心灘；基下300 m有一灣道,高水時(shí)有雍水現(xiàn)象。

測(cè)驗(yàn)斷面分別有上、中、下三個(gè)測(cè)驗(yàn)斷面,中斷面為基本水尺斷面,同時(shí)流速儀測(cè)流斷面及浮標(biāo)中斷面和比降斷面在同一斷面,上、下斷面相距200 m,基本斷面架設(shè)有吊箱鉛魚(yú)纜道,用于測(cè)驗(yàn)高、中、低水流量、泥沙的作業(yè),該站無(wú)浮標(biāo)投放設(shè)備。

3 電波流速儀的測(cè)量原理及技術(shù)指標(biāo)

3.1 測(cè)量原理

手持式多普勒流速儀/流量測(cè)定儀,利用多普勒原理可測(cè)量非滿管（圓管、蛋形管或其它異形管）流量,即向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈,可提供瞬時(shí)流量值和累計(jì)流量值,儀表內(nèi)置256 M數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,外置4GSD卡存儲(chǔ)器傳感器可在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)和污水水質(zhì)下長(zhǎng)期工作,有短信或GPRS無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測(cè)。

電波流速儀提供測(cè)驗(yàn)瞬時(shí)流量值和累計(jì)流量值速,通過(guò)水面流量速度系數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算成為垂線平均流速,從而達(dá)到計(jì)算流量的目的,電波流速儀使用條件為具有橋梁、纜道吊箱的水文站使用,單只流速傳感器,安裝方便適合市政污下水管渠道、不滿管管道、各種渠道、不規(guī)則河道、天然溪、排污口等流量測(cè)量并可隱蔽安裝,可以做到長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作。

3.2 電波流速儀功能介紹

1）可供單人使用,重量小于700 g,便于攜帶。

2）內(nèi)置角度感測(cè)器,可以自動(dòng)修正垂直角和水平角度,內(nèi)置溫度傳感器,方便溫度檢測(cè)。

3）多種測(cè)量模式,可單次測(cè)量,也可連續(xù)測(cè)量。

4）LCD顯示屏顯示測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5）計(jì)時(shí)分辨率達(dá)到0.1 s,符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范。

6）通過(guò)選擇水流方向,排除逆流干擾。

7）數(shù)據(jù)寄存器暫存10 個(gè)流速數(shù)。

3.3 電波流速儀指標(biāo)

1）測(cè)速范圍：0.03 m/s~20 m/s；

2）測(cè)速精度：±0.04 m/s；

3）計(jì)時(shí)范圍：0~100 s；

4）電波頻率：24 GHz

5）電波發(fā)射角：12°；

6）工作頻率：Ka波段(34.7GHz）；

7）微波功率：50 mW；

8）工作溫度：-30℃~+70℃；

9）最大測(cè)程：100 m；

10）供電方式：可拆卸式鋰電池手柄,正常工作8小時(shí)；

11）充電時(shí)間：3 小時(shí), 必須在0~+45℃環(huán)境溫度中充電。

4 比測(cè)資料收集

4.1 資料選用

馬渡王水文站開(kāi)展電波流速儀水面系數(shù)率定分析工作,取得10次比測(cè)資料。全部采用精測(cè)法。比測(cè)流量最大值為335 m3/s,相對(duì)應(yīng)水位427.52 m,流量最小值25.4 m3/s,相對(duì)應(yīng)水位值為424.14 m,實(shí)測(cè)得到最大流速為4.21 m/s,實(shí)測(cè)最大水深4.3 m,流速儀比測(cè)資料見(jiàn)表1。

表1 馬渡王水文站電波流速儀比測(cè)資料

4.2 資料一致性分析

馬渡王水文站電波流速儀和流速儀在吊箱上同時(shí)比測(cè),手持式電波流速儀主要手持工作,手持工作過(guò)程中存在無(wú)法固定測(cè)量出現(xiàn)搖晃現(xiàn)象,所以作業(yè)結(jié)果會(huì)有一些合理誤差。

4.3 資料合理性檢查

測(cè)流結(jié)束后檢查觀測(cè)記錄,輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算,嚴(yán)格執(zhí)行“四隨”工序,比測(cè)資料計(jì)算正確無(wú)誤,通過(guò)資料審查驗(yàn)收,精度滿足不了比測(cè)要求。

4.4 比測(cè)資料系列

共收集比測(cè)資料10 次,10 次分析計(jì)算系列,屬階段性比測(cè)。

5 電波流速儀水面流速系數(shù)分析計(jì)算

5.1 分析依據(jù)

依據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）流速系數(shù)的確定應(yīng)符合下列規(guī)定：

電波流速儀水面流速系數(shù)應(yīng)由流速儀法施測(cè)資料分析確定。

5.2 電波流速儀水面流速系數(shù)的分析方法。

5.2.1 平均值法

通過(guò)10 次對(duì)比測(cè)數(shù)據(jù)分析斷面手持式電波流速儀的斷面平均流速,計(jì)算公式：

式中：K為手持式電波流速儀水面流速系數(shù)；V電為電波流速儀斷面平均流速；V流為流速儀斷面平均流速。

分別計(jì)算得出各次電波流速儀水面流速的系數(shù),為平均值,計(jì)算得電波流速儀水面流速系數(shù)為0.54。馬渡王水文站流速儀水面流速系數(shù)計(jì)算表見(jiàn)表2。

表2 馬渡王水文站電波流速儀水面流速系數(shù)計(jì)算表

5.2.2 相關(guān)曲線法

通過(guò)10次比測(cè)資料的斷面平均流速與電波流速儀斷面平均流速,得到相關(guān)關(guān)系,繪制電波流速儀斷面平均流速流速與儀斷面平均流速相關(guān)關(guān)系圖,計(jì)算得出相關(guān)系數(shù)為0.54。

5.2.3 回歸方程法

依據(jù)馬渡王水文站10次比測(cè)資料,采用回歸方程法計(jì)算電波流速儀水面流速系數(shù),計(jì)算回歸方程為y=0.54x,相關(guān)系數(shù)為0.54,相關(guān)關(guān)系為0.12。其相關(guān)點(diǎn)據(jù)比較稀疏,分布相對(duì)較散亂。

5.2.4 電波流速儀水面流速系數(shù)的確定

通過(guò)對(duì)馬渡王水文站電波流速儀比測(cè)資料進(jìn)行分析,分別采用均值法、相關(guān)曲線法和回歸方程法進(jìn)行分析計(jì)算,均值法系數(shù)為0.54；相關(guān)曲線法系數(shù)為0.54；回歸方程法系數(shù)為0.54,三種分析方法結(jié)果一致,綜合三種分析計(jì)算結(jié)果,馬渡王水文站電波流速儀階段性水面流速系數(shù)確定為0.54。

5.3 相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)評(píng)定

5.3.1 相關(guān)曲線的三項(xiàng)檢驗(yàn)

對(duì)建立的相關(guān)曲線做三項(xiàng)檢驗(yàn),即偏離數(shù)值的合理性檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和符號(hào)檢驗(yàn),符號(hào)檢驗(yàn)顯著性水平α選用0.25,偏離數(shù)值顯著性水平α選用0.20,適線檢驗(yàn)顯著性水平α選用0.10。經(jīng)計(jì)算相關(guān)曲線的標(biāo)準(zhǔn)差為19.1%,隨機(jī)不確定度為38.2%,系統(tǒng)誤差為10.4%,檢驗(yàn)結(jié)果還不滿足中華人民國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）要求,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 灞河 馬渡王水文站電波流速儀相關(guān)關(guān)系線檢驗(yàn)表

5.3.2 電波流速儀水面流速系數(shù)質(zhì)量評(píng)定

通過(guò)比測(cè)資料分析計(jì)算,馬渡王水文站電波流速儀水面流速系數(shù)確定為0.54,利用該站10 次比測(cè)資料進(jìn)行合理性檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果還滿足不了規(guī)范要求。

檢驗(yàn)分析結(jié)果表明,電波流速儀性能比較穩(wěn)定,操作方便,測(cè)量精度高,可以代替浮標(biāo)法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。測(cè)驗(yàn)質(zhì)量滿足水文規(guī)范要求,該儀器可作為水文站的常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)儀器。

6 存在問(wèn)題

1）比測(cè)的率定采用吊箱流速儀與吊箱人工手持電波流速儀同步測(cè)速方法,因受水流條件影響,洪水漲落急劇,漂浮物多,中高水比測(cè)困難,比測(cè)資料偏少。

2）馬渡王水文站站斷面為寬淺河床,流量為335 m3/s時(shí),三條垂線水深已達(dá)4.21 m。其中37次流量為998 m3/s時(shí),實(shí)測(cè)水深已達(dá)5.6 m,中高水流速儀精測(cè)法試驗(yàn)資料無(wú)法施測(cè)。

3）現(xiàn)有的比測(cè)資料,水位變幅為：426.02 m~427.51 m,流量在28.7 m3/s~335 m3/s,變幅較小,資料較少,相關(guān)關(guān)系較差,有待以后繼續(xù)比測(cè)率定,在水流條件允許情況下,增加中高水精測(cè)法次數(shù),提高比測(cè)試驗(yàn)資料精度及系數(shù)的準(zhǔn)確度。

7 結(jié)論

1）比測(cè)率定：比測(cè)率定采用吊箱流速儀法與吊箱人工手持電波流速儀同步測(cè)速。根據(jù)水流條件分別用精測(cè)法和常測(cè)法與電波流速儀同步比測(cè)。

2）比測(cè)率定資料系列：通過(guò)2013年的10次精測(cè)法,最大流量335 m3/s,最小流量25.6 m3/s,占全年要求比測(cè)的10%。

3）分析計(jì)算方法：報(bào)告通過(guò)均值法、相關(guān)曲線法及回歸方程法三種分析計(jì)算方法,各方法得出的系數(shù)基本一致和接近,系數(shù)確定采用三種方法均值。

4）電波流速儀水面系數(shù)：根據(jù)不同分析計(jì)算方法,馬渡王水文站電波流速儀水面流速系數(shù)確定為0.54。