手持電波流速儀水面流速比較測定試驗與分析

任六平

（呂梁市水文水資源勘測分局）

發(fā)生暴雨洪水時河道流速的測定，是一項非常重要的工作，對于正確預測洪水流量及發(fā)展趨勢、制定防洪預案、抗洪減災(zāi)，意義重大。傳統(tǒng)的測流方法，危險性較大。為了探討新的替代性測流方法，我們應(yīng)用從美國引進的手持電波流速儀，與相對傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀一起，在雙家寨水文站進行了比較測定試驗。

1 測站概況

1.1 歷史沿革

位于交城縣會立鄉(xiāng)雙家寨村中西河上的雙家寨水文站，原名岔口水文站。1957年，山西省水利廳在文峪河流域設(shè)立了石沙莊水文站；1965年1月，該站下遷5 km至下長斜村，改名下長斜水文站；1965年4月，再次由下長斜下遷5 km至岔口村，更名為岔口水文站；2012年6月，因修建柏葉口水庫上遷至雙家寨村，更名為雙家寨水文站，現(xiàn)屬于呂梁市水文水資源勘測分局管轄。

1.2 測站流域水文下墊面狀況

雙家寨水文站，地理坐標為東經(jīng)111°37′，北緯37°40′。站址以上集水面積357 km2，主河道長度35.8 km，主河道縱坡12.8‰，流域形狀系數(shù)0.276。

該站為變質(zhì)巖森林山地的區(qū)域性代表站，既是當?shù)胤姥纯购?、水利建設(shè)的“耳目”，也是水資源管理的“前哨”與“尖兵”。該站水文下墊面產(chǎn)流地類共有3種，分別為：變質(zhì)巖森林山地，面積346 km2，占集水面積96.9%；變質(zhì)巖灌叢山地，面積10.6 km2，占集水面積3%；灰?guī)r森林山地0.4 km2，占集水面積0.1%。

1.3 流域降水徑流

據(jù)多年觀測資料，該站流域年均降水量564.3mm，最大年降水量857.4 mm（1964年），最小年降水量336.9 mm（1965年）。年最大24 h暴雨均值50-55 mm，單站最大24 h點暴雨值124.3 mm（1970年7月10日）。20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇暴雨洪峰流量分別為325 m3/s、483 m3/s和610 m3/s。

2 手持電波流速儀測流原理與主要技術(shù)指標

手持電波流速儀測流速時，首先向水流方向發(fā)出無線電波，當電波的能量撞擊水面時，波能量的一小部分返回到雷達設(shè)置天線，雷達設(shè)備根據(jù)發(fā)射和返回信號頻率的不同，確定水流速度。

美國ACI公司生產(chǎn)的斯德克手持電波流速儀（Stalker II SVR）專門用于水面流速測量。該儀器自帶角度改正，具有全防水設(shè)計，可在雨天使用，顯示方式為雙排LCD同時顯示瞬時流速、平均流速、測定歷時、回波強度和流速方向。其主要技術(shù)指標：①測速范圍0.20-18.00 m/s，精度±0.03 m/s；②計時范圍0-99.9 s，精度0.1 s；③波束寬度12°；④微波頻率34 GHz；⑤最大測程100 m。

3 比測試驗方案

雙家寨水文站測驗河段較順直，河床由沙卵石組成，沖淤變化不大，基下約150 m處有一座5孔石拱橋，斷面左右岸為耕地。手持電波流速儀比測試驗，在水文測驗的測流斷面上進行。該比測試驗，采用手持電波流速儀與轉(zhuǎn)子式流速儀同步進行比測。在各次比測試驗中，兩種流速儀選取的測速垂線相同，斷面面積相同，由實測流速分別計算得出斷面流量，并對兩者進行回歸分析，推導出手持電波流速儀水面流速系數(shù)。

具體分兩組進行：轉(zhuǎn)子式流速儀一組負責測深、測距、測速；電波流速儀一組負責借用轉(zhuǎn)子式流速儀測流的水深、起點距，然后將電池充滿電后插入手柄電池盒內(nèi)，按下電源鍵，瞄準目標，扣動扳機，讀取流速值，高效且安全的完成測驗任務(wù)。

測速垂線布設(shè)，按照該站原測流方案布置。施測方法：低、枯水時采用涉水施測，中、高水時采用水文纜道施測。測點測速歷時：轉(zhuǎn)子式流速儀測速歷時不少于100 s；手持電波流速儀測速歷時為10 s，取三次較接近的數(shù)據(jù)平均值作為測定的流速值。測點流速位置分布：手持電波流速儀采用水面一點法，轉(zhuǎn)子式流速儀采用0.6一點法。測深、測速要求必須一一對應(yīng)。

4 比測成果及分析

4.1 比測成果

雙家寨站手持電波流速儀比測試驗在2015-2017年5-9月進行。由于近年來上游來水較少，共得到比測流量資料15份（結(jié)果見表1）。

表1 手持電波流速儀比測試驗及殘差輸出成果表

4.2 比測成果分析

對手持電波流速儀虛流量與轉(zhuǎn)子式流速儀流量（近似真值）進行回歸分析，結(jié)果見表2、表3和圖1。從表2及圖1可以看出，兩者所測流量的回歸方程相關(guān)系數(shù)為0.999。從表3可以看出，回歸模型的常數(shù)項（截距）為0，自變量（手持電波流速儀虛流量）的回歸系數(shù)（斜率）為0.806，回歸系數(shù)的顯著性水平（P）為2.2E-20＜0.0001，置信度達到99.99%以上，即檢驗假設(shè)“回歸系數(shù)b=0”成立的概率為2.2E-20，從而拒絕原假設(shè)。說明因變量（轉(zhuǎn)子式流速儀流量）和自變量（手持電波流速儀虛流量）的線性關(guān)系是非常顯著的，建立的線性模型是恰當?shù)?。在?0.05的顯著性水平上，回歸系數(shù)（b）的變化極限為0.785＜b＜0.826。因此，可以得出回歸模型為：

式中：Q流為轉(zhuǎn)子式流速儀流量；Q電為手持電波流速儀虛流量。

由于轉(zhuǎn)子式流速儀與手持電波流速儀為同斷面、同垂線，所以，上述公式可以等同為：

式中：V流為轉(zhuǎn)子式流速儀流速；V電為手持電波流速儀虛流速。

采用上述公式計算，通過電波流速儀所測得的水面流速，即可得到相應(yīng)的垂線流速。再借用相應(yīng)水位的實測大斷面，即可推算出此斷面流量。

表2 回歸統(tǒng)計表

表3 回歸參數(shù)表

圖1 手持電波流速儀虛流量與轉(zhuǎn)子式流速儀流量關(guān)系圖

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

通過在雙家寨水文站應(yīng)用手持電波流速儀進行水面流速測量試驗與分析，可得出以下結(jié)論：

（1）手持電波流速儀因不接觸水體，測速時不受含沙量、漂浮物影響，也不受水質(zhì)、流態(tài)等影響，具有操作簡單、測定時間短、測流速度快等優(yōu)點，所以，很適合暴雨洪水時流速測量。

（2）手持電波流速儀質(zhì)量比較可靠，在一定流速范圍內(nèi)，可以代替浮標完成流量測驗，其精度能滿足水文測驗規(guī)范要求。

（3）手持電波流速儀所測定的水面虛流量流速偏大，與實際流量的換算系數(shù)為0.806。

5.2 建議

一般情況下，電波流速儀低速測量性能不太好，流速測量范圍的低速端常在0.5 m/s左右。為了得到較強的水面波浪迎波面的回波，要求能有較強的波浪。所以，電波流速儀不能完全代替常規(guī)的流速儀測流。