茶陵（二）站電波流速儀比測分析報告

張彪

摘 要：電波流速儀是采用雷達(dá)多普勒效應(yīng)測量水面流速。本文通過機(jī)械式轉(zhuǎn)子流速儀實(shí)測流量與電波流速儀測算流量進(jìn)行比較分析，并確定電波流速儀測量成果與常規(guī)流速儀測量成果間相關(guān)關(guān)系及比測系數(shù)。

關(guān)鍵詞：電波流速儀；轉(zhuǎn)子式流速儀；茶陵水文站；系數(shù)分析

1引言

電波流速儀是利用雷達(dá)多普勒效應(yīng)，電磁波在不同介質(zhì)表面發(fā)生反射時當(dāng)波源、觀測者、媒質(zhì)之間發(fā)生相對運(yùn)動時，引起電磁波頻率改變的原理。在滿足施測條件下，它只與媒質(zhì)（水體）運(yùn)動速度有關(guān)，且只與水體表面水力情況有關(guān)，與水中漂浮物無關(guān)。電波流速儀在發(fā)射雷達(dá)波照射水面時，部分能量被水面波散射后反射回來，產(chǎn)生的多普勒相移信息（頻率信息）被儀器的天線接收。信號處理機(jī)利用發(fā)射信號的水面回波與發(fā)射信號的多普勒頻率差來提取速度信息。測量中實(shí)際接收到的信號是流速信息真值的分量，經(jīng)改正后還原成真值。

2分析原理的比較

2.1轉(zhuǎn)子流速儀流速測量原理

流速儀測量流速的基本原理是通過測得點(diǎn)流速來推算垂線平均流速。茶陵水文站纜道由于沒有拉偏索水位超過95.50m時采用流速儀水面一點(diǎn)法，水面系數(shù)為經(jīng)驗系數(shù)0.85；低于95.50m時采用兩點(diǎn)法。

相關(guān)表達(dá)公式為：

測點(diǎn)流速計算公式：

V=Kn+C

V：點(diǎn)流速，m/s、

K：水力螺距

C：常數(shù)

n：流速儀轉(zhuǎn)速

垂線平均流速計算公式：

一點(diǎn)法：V=αV0.0 二點(diǎn)法：V=（V0.2+V0.8）/2

V：平均流速

V0.0、V0.2、V0.8相對水深處流速流速

α：水面系數(shù)0.85（系經(jīng)驗系數(shù)）

2.2電波流速儀流速測量原理

原理：靜止的激光光源發(fā)射的激光照射到隨流體運(yùn)動的粒子上時，粒子將接收到的光波向外散射，散射光頻率與激光光波頻率之差與粒子運(yùn)動速度成正比。這個差值就叫多普勒頻移。測量這個頻差就可知運(yùn)動粒子的速度，即流速。

主要技術(shù)指標(biāo)：

雷達(dá)頻率：24GHz

數(shù)據(jù)采集時間：5～240s

測量間隔時間設(shè)定范圍：5s～8h

雷達(dá)波束角：12°

雷達(dá)水平角度調(diào)整范圍：30～60°（自動補(bǔ)償）

雷達(dá)探頭距離水面距離：0.5m～30m

流速測量范圍：0.15～15m/s

工作溫度：-30°～+60°

野外防護(hù)等級：IP68

3茶陵站基本情況介紹

茶陵（二）站位于湖南省茶陵縣思聰鄉(xiāng)紅橋村，東經(jīng)113°32′，北緯26°48′。2011年1月1日設(shè)立。國家一類精度站，集水面積4347km2。上游茶陵、炎陵兩縣絕大部分為森林區(qū)，覆蓋較好，上、下游河段順直長約380m，斷面呈“U”型，縱向向下游擴(kuò)散，河床左岸為自然山腳，右岸為砂、粘土，河床由砂卵石、石板組成，基本穩(wěn)定，大洪水時稍有沖淤變化。由于測站控制良好，該站從建站以來，都是采用臨時曲線法定線推流，水位在97.50M以上且漲落急劇時，采用連時序法定線推流。

4比測方法

比測采用電波流速儀與常用流速儀同時間、同垂線、同測點(diǎn)、同歷時進(jìn)行。電波流速儀實(shí)測最高水位100.43m，最低水位94.31m，占該站水位變幅的75.6%。電波流速儀與常規(guī)流速儀同步測流次數(shù)：2013年35次，2014年5次，共40次（詳見茶陵（二）站同步流量比測成果表）。需要指出的是：由于右岸漫灘，當(dāng)水位在97.1m以上時，右岸不同級水位有起點(diǎn)距45m、33m處因流速太小，電波流速儀無法測出流速。根據(jù)常規(guī)流量計算，這部分流量約占斷面流量的0.3%-0.8%之間，影響甚微，故在電波儀流量計算中這一部分做死水處理。其測速垂線也未參加統(tǒng)計。

5電波流速儀流量與常規(guī)流速儀流量系數(shù)分析

1、5.1系數(shù)分析

為準(zhǔn)確反映電波儀與常規(guī)儀間流量的相互關(guān)系，描述相關(guān)關(guān)系方向與密切程度，選取95.0m以上、96.0m以上和97.0m以上三種不同水位級實(shí)測流量與電波儀流量，分別對其系數(shù)進(jìn)行分析。

（1）、95.0m以上相關(guān)系數(shù)分析

選用95.0m以上實(shí)測電波儀流量與常規(guī)流量同步資料，采用EXCEL相關(guān)分析方法，建立直線方程，見圖和表：

（2）96.0m以上相關(guān)系數(shù)分析

選用96.0m以上實(shí)測電波儀流量與常規(guī)流量同步資料，采用EXCEL相關(guān)分析方法，建立直線方程，見圖和表：

（3）97.0m以上相關(guān)系數(shù)分析

選用97.0m以上實(shí)測電波儀流量與常規(guī)流量同步資料，采用EXCEL相關(guān)分析方法，建立直線方程，見圖和表：

5.2分析結(jié)論

根據(jù)EXCEL相關(guān)分析方法，Pearson相關(guān)系數(shù)為兩變量間線性相關(guān)關(guān)系密切程度和方向，其中∣r∣≤1，∣r∣越接近1，線性關(guān)系越密切；∣r∣=1，為完全相關(guān)，∣r∣=0則表明兩變量間無線性相關(guān)；a為直線在y軸上的截距；本分析截距取零，b為回歸系數(shù)，即直線的斜率。

從以上3個表圖可知，當(dāng)水位級95.0m、96.0m和97.0m以上時，流速儀流量與電波儀流量線性相關(guān)關(guān)系密切程度均很高，相關(guān)系數(shù)都達(dá)0.99以上。回歸系數(shù)均為0.86（其中截距為0），這與現(xiàn)行測驗規(guī)范中經(jīng)驗系數(shù)（或浮標(biāo)系數(shù)）基本相近，電波流速儀實(shí)測流量隨著水位級不斷增高，與常規(guī)法實(shí)測流量關(guān)系越好。

6結(jié)語

通過對茶陵（二）站電波流速儀實(shí)測流量與常規(guī)流速儀實(shí)測流量相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)該站水位在95.0m以下同步常規(guī)流量與電波流速儀流量資料比值在0.20～0.56間，沒有規(guī)律可循，其原因主要是95m以下水位低、流速小、大部分垂線水面流速小于0.2m以下，已接近和超出該儀器最小測速范圍，因此，水位在95.0以下電波流速儀測量誤差較大，不能滿足測驗要求。而水位在水位95.0m以上時，電波流速儀流量流量與常規(guī)流速儀流量系數(shù)均為0.86，電波流速儀流量與常規(guī)流速儀流量之間有良好相關(guān)關(guān)系，電波流速儀可以在95.0m-97.0m之間轉(zhuǎn)子流速儀實(shí)測沒有困難的時候，用轉(zhuǎn)子流速儀法交和電波流速儀叉使用以檢驗電波流速儀的可靠性。當(dāng)水位達(dá)到了97.0m以上時，電波流速儀測量與轉(zhuǎn)子流速儀關(guān)系很好，可以直接采用電波流速儀法測量。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB50179-2015 河流流量測驗規(guī)范.北京：中國計劃出版社，2007.

[2] 電波流速儀使用手冊.黃河水利委員會.

（作者單位：株洲水文水資源勘測局）