微波流速儀動(dòng)態(tài)積寬式流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用研究

李德貴 宋海松 李蘭濤 劉建軍

摘要：目前，黃河水文站測(cè)驗(yàn)洪水流量的主要方式是流速儀法和浮標(biāo)法，需要布設(shè)多條垂線進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，歷時(shí)長(zhǎng)，技術(shù)手段落后。采用微波流速儀搭載移動(dòng)平臺(tái)連續(xù)測(cè)量水面流速的方式，以借用斷面計(jì)算流量，依托吳堡、龍門兩水文站的吊箱、鉛魚纜道自動(dòng)控制平臺(tái)，開展了與傳統(tǒng)流速儀法流量測(cè)驗(yàn)方式的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：該種流量測(cè)驗(yàn)方式可密集獲取測(cè)驗(yàn)斷面的水面流速分布，縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，提高洪水流量的自動(dòng)測(cè)報(bào)水平，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：流速儀法：浮標(biāo)法：比測(cè)試驗(yàn)：動(dòng)態(tài)積寬式測(cè)驗(yàn)：流量測(cè)驗(yàn)：微波流速儀

中圖分類號(hào)：P332；TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.004

1 概述

流速是最基本的水文要素，流速測(cè)驗(yàn)是水文監(jiān)測(cè)中最基礎(chǔ)、最重要的流量測(cè)量項(xiàng)目之一。目前，國(guó)內(nèi)大部分水文站在流量測(cè)驗(yàn)時(shí)通常采用常規(guī)的流速儀法、浮標(biāo)法，在河流斷面上布設(shè)若干垂線測(cè)出點(diǎn)流速，再通過流速面積法計(jì)算出流量。在大洪水期間，尤其是水流急、含沙量大、漂浮物多的復(fù)雜水情下，常規(guī)儀器難以下水，浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)用人多、歷時(shí)長(zhǎng)、精度低。微波流速儀是利用多普勒效應(yīng)原理，以非接觸方式測(cè)量水面流速的一種新型測(cè)流儀器，國(guó)內(nèi)部分測(cè)站已應(yīng)用該儀器進(jìn)行了垂線定點(diǎn)測(cè)量的比測(cè)試驗(yàn)，取得了較好的效果。

筆者利用微波流速儀，采用動(dòng)態(tài)積寬的方式測(cè)量整個(gè)斷面的水面流速，選擇黃河干流吳堡、龍門兩個(gè)水文站，分別將微波流速儀安裝于吊箱和鉛魚上，勻速運(yùn)行吊箱和鉛魚，在行走過程中保持儀器距水面的距離固定（誤差小于20 cm），連續(xù)測(cè)量水面流速并實(shí)時(shí)傳輸至室內(nèi)計(jì)算機(jī)，室內(nèi)計(jì)算機(jī)同時(shí)測(cè)量記錄起點(diǎn)距數(shù)據(jù)，由獲取的斷面流速分布，利用借用的大斷面計(jì)算出斷面流量。

2 試驗(yàn)測(cè)站概況

吳堡、龍門兩個(gè)水文站均為國(guó)家重點(diǎn)報(bào)汛站，處于黃河泥沙的主要來源區(qū)，該區(qū)域也是黃河暴雨洪水的主要來源區(qū)。

吳堡站測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約600 m，河勢(shì)較穩(wěn)定，主流偏右岸。斷面左岸為斜坡，右岸為石砌護(hù)岸。河床左側(cè)部分為淤土，下部為巖石：主槽為巖石，上覆1.5～2.0 m厚的礫石和泥沙：右側(cè)部分為淤土礫石，下部為巖石。龍門站河段順直長(zhǎng)約400 m，兩岸為巖石陡壁，近矩形斷面，為沙質(zhì)河床，洪水時(shí)河床沖淤變化劇烈。

吳堡站主要的渡河測(cè)驗(yàn)設(shè)備為兩臺(tái)吊箱，其水平運(yùn)行由岸上電力驅(qū)動(dòng)，變頻調(diào)速。其中：1號(hào)吊箱為全自動(dòng)水文吊箱遙測(cè)平臺(tái)，垂直運(yùn)行由吊箱自帶鋰電池驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)有懸桿測(cè)深、流速儀自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)；2號(hào)吊箱為普通電動(dòng)升降吊箱，由人工施測(cè)水深、流速。龍門水文站主要渡河測(cè)驗(yàn)設(shè)備為兩個(gè)重鉛魚電動(dòng)纜道，其水平和垂直運(yùn)行都由岸上電力驅(qū)動(dòng)，變頻調(diào)速。

兩個(gè)水文站均采用流速面積法計(jì)算流量。流速測(cè)量?jī)x器通常為轉(zhuǎn)子式流速儀，流速測(cè)量采用選點(diǎn)法，即將流速儀停留在測(cè)速垂線的預(yù)定測(cè)點(diǎn)上，測(cè)定各測(cè)點(diǎn)一定歷時(shí)的流速，計(jì)算垂線平均流速，進(jìn)而計(jì)算斷面流量。大洪水時(shí)期用浮標(biāo)法施測(cè)流量。

3 試驗(yàn)儀器設(shè)備及軟件

試驗(yàn)所用測(cè)速儀器為河南安宏信息科技有限公司研制的YMCP-I型非接觸式微波流速儀及通信設(shè)備和軟件。吳堡水文站完整的測(cè)量系統(tǒng)包括微波流速儀、水文吊箱纜道測(cè)驗(yàn)設(shè)施與自動(dòng)智能化控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等：龍門水文站完整的測(cè)量系統(tǒng)包括微波流速儀、水文重鉛魚纜道測(cè)驗(yàn)設(shè)施與白動(dòng)智能化控制平臺(tái)、風(fēng)速風(fēng)向儀和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等。

3.1 微波流速儀

YMCP-1型非接觸式微波流速儀測(cè)量流速的原理：通過微波探頭向水面發(fā)射一束微波（頻率為37GHz），該微波到達(dá)水面后發(fā)生反射（漫反射）和折射，反射波被微波探頭接收，并經(jīng)圓極化混頻器之后產(chǎn)生與水流速度對(duì)應(yīng)的多普勒頻率信息，結(jié)合傾角傳感器測(cè)量的微波發(fā)射俯角（微波方向與水平方向的夾角），依據(jù)多普勒原理即可計(jì)算出水流的速度。YMCP-I型微波流速儀主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)速范圍，0.3～ 15.0 m/s：測(cè)量俯角，600～ 900：測(cè)量方位角（發(fā)射波和水流方向在水平面上的夾角），00～ 300；測(cè)量時(shí)段，以秒為單位，可連續(xù)測(cè)量或固定1、10、20、30、60 s等單位；測(cè)量精度，均方差≤3%；電源，12 V、8.8 Ah大容量可充電鋰電池；平均功耗，小于10 W。

3.2 配套設(shè)備

為了研究風(fēng)速風(fēng)向?qū)λ媪魉贉y(cè)量的影響，配置了風(fēng)速風(fēng)向儀，在進(jìn)行微波流速儀積寬式水面流速采集時(shí)，同時(shí)采集風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。風(fēng)速風(fēng)向儀的主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍，風(fēng)速0～ 70 m/s，風(fēng)向00～ 3600：準(zhǔn)確度，風(fēng)速+0.3 m/s，風(fēng)向+30。為了將采集的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回室內(nèi)，配置了短波無線數(shù)傳電臺(tái)。

微波流速儀和風(fēng)速風(fēng)向儀分別安裝于吊箱或鉛魚上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，技術(shù)人員通過操作水文纜道測(cè)驗(yàn)設(shè)施與白動(dòng)智能化控制平臺(tái)來控制吊箱或鉛魚的白動(dòng)運(yùn)行。微波流速儀、風(fēng)速風(fēng)向儀與控制室之間通過無線方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

技術(shù)人員可自主設(shè)定微波流速儀距水面的高度，其中龍門站鉛魚的垂度補(bǔ)償通過事先測(cè)算好的主纜垂度曲線得到，吳堡站吊箱的垂度補(bǔ)償采用實(shí)時(shí)測(cè)量吊箱距水面距離的方式得到。龍門站鉛魚的水平和垂直運(yùn)行通過2臺(tái)變頻器分別控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)，鉛魚在水平運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)能根據(jù)鉛魚在不同起點(diǎn)距時(shí)纜道垂度的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，并使鉛魚保持在設(shè)定高度水平運(yùn)行。吳堡站吊箱的水平運(yùn)行通過變頻器控制循環(huán)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，吊箱的垂度補(bǔ)償由吊箱上的PLC（可編程邏輯控制器）控制直流電機(jī)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)。

3.3 配套軟件

根據(jù)比測(cè)試驗(yàn)要求，開發(fā)了微波流速儀動(dòng)態(tài)積寬式測(cè)流綜合軟件（測(cè)量界面見圖1）。流速測(cè)驗(yàn)時(shí)，由軟件控制吊箱或鉛魚勻速行走，系統(tǒng)各設(shè)備實(shí)時(shí)采集流速、起點(diǎn)距、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，通過數(shù)傳電臺(tái)傳回到計(jì)算機(jī)；起點(diǎn)距由纜道（吊箱或鉛魚）控制系統(tǒng)采集，利用有線方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)：水位由人T輸入到計(jì)算機(jī)，讀人借用大斷面數(shù)據(jù)。

在測(cè)流過程中，測(cè)流綜合軟件記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集或計(jì)算的起點(diǎn)距、水面流速、水深、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，計(jì)算兩條垂線間的平均水面流速、平均水深、間隔、部分面積、部分流量等，測(cè)流結(jié)束時(shí)軟件自動(dòng)計(jì)算、獲得整個(gè)斷面的虛流量（水面流速乘以斷面面積所得流量）及該測(cè)次的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，所有的測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)均保存到計(jì)算機(jī)。

4 比測(cè)試驗(yàn)

4.1 設(shè)備安裝

按照各儀器設(shè)備的安裝要求，在承載平臺(tái)（吊箱或鉛魚）上安裝微波流速儀、風(fēng)速風(fēng)向儀及數(shù)傳電臺(tái)等設(shè)備，在室內(nèi)安裝數(shù)據(jù)接收設(shè)備。在室內(nèi)測(cè)控計(jì)算機(jī)上安裝微波流速儀動(dòng)態(tài)積寬式測(cè)流綜合軟件，設(shè)置有關(guān)系數(shù)、參數(shù)（如微波流速儀測(cè)驗(yàn)時(shí)距水面的高度、設(shè)備限位值）等，各設(shè)備安裝完成后進(jìn)行加電測(cè)試，正常后即可進(jìn)行比測(cè)試驗(yàn)。

4.2 比測(cè)試驗(yàn)及要求

采用流速儀法測(cè)流的同時(shí)，布設(shè)相應(yīng)的微波流速儀實(shí)施測(cè)流并觀測(cè)相應(yīng)水位。主要要求為：

（1）本項(xiàng)比測(cè)試驗(yàn)，微波流速儀采用動(dòng)態(tài)積寬式測(cè)流，軟件為微波流速儀動(dòng)態(tài)積寬式流量測(cè)驗(yàn)綜合軟件：流速儀法為測(cè)站目前采用的正常測(cè)流方法，岸邊系數(shù)采用水文站現(xiàn)有系數(shù)值。

（2）微波流速儀可與流速儀法同時(shí)測(cè)流，也可單獨(dú)測(cè)流。微波流速儀單獨(dú)測(cè)流時(shí)應(yīng)在開始、終了觀測(cè)水位，視水位變化情況適時(shí)加測(cè)，并與水文站的水位流量曲線所查流量進(jìn)行對(duì)比。

（3）微波流速儀測(cè)驗(yàn)流量計(jì)算是在系統(tǒng)控制下，安裝有微波流速儀的運(yùn)載平臺(tái)（吊箱或鉛魚）勻速行走的過程中，以借用大斷面數(shù)據(jù)中起點(diǎn)距為標(biāo)記，經(jīng)過一個(gè)垂線起點(diǎn)距為開始，到下一個(gè)垂線起點(diǎn)距為結(jié)束，在此期間采集的所有流速數(shù)據(jù)經(jīng)過中值濾波、均方差平均作為兩個(gè)垂線間的平均流速，再計(jì)算兩條垂線間的距離、平均水深，計(jì)算出兩條垂線間的過水面積，即可得出這兩條垂線間的部分流量?？刂葡到y(tǒng)邊行走、邊采集、邊計(jì)算、邊存儲(chǔ)，行走完斷面即可計(jì)算出整個(gè)斷面的虛流量。

（4）按照時(shí)間順序?qū)Ρ葴y(cè)流量測(cè)次編號(hào)，填寫微波流速儀流量測(cè)驗(yàn)記載表。

（5）每完成一次全斷面數(shù)據(jù)采集后，軟件將自動(dòng)記錄保存測(cè)量數(shù)據(jù)，輸出流量成果表、垂線流量成果表、流速測(cè)量成果表等。

4.3 比測(cè)數(shù)據(jù)

吳堡站比測(cè)試驗(yàn)自2017年8月2日至9月18日，歷時(shí)48 d。收集微波流速儀試驗(yàn)資料100次，其中85次為單獨(dú)測(cè)流，通過水位流量關(guān)系推求的流量和實(shí)測(cè)流量作為標(biāo)準(zhǔn)流量，與微波流速儀測(cè)得的流量建立對(duì)比系列。比測(cè)期間，微波流速儀測(cè)得的最大流量為1 640 m3/s，最小流量為162 m3/s，最大流速為3.35 m/s，比測(cè)資料滿足分析要求。

龍門站比測(cè)試驗(yàn)白2017年7月11日至10月14日，歷時(shí)96 d，收集微波流速儀試驗(yàn)資料102次，其中59次為單獨(dú)測(cè)流，通過水位流量關(guān)系推求的流量和實(shí)測(cè)流量作為標(biāo)準(zhǔn)流量，與微波流速儀測(cè)得的流量建立對(duì)比系列。比測(cè)期間測(cè)得的最大流量為1 260 m3/s，最小流量為497 m3/s，最大流速為6.91 m/s，比測(cè)資料滿足分析要求。

5 比測(cè)成果分析

5.1 比測(cè)數(shù)據(jù)處理

中值濾波法是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)平滑處理技術(shù)，其基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的像素值接近于實(shí)測(cè)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。中值濾波算法比較簡(jiǎn)單，也易于用軟件實(shí)現(xiàn)。

本文微波流速儀所測(cè)流速就是運(yùn)用中值濾波法過濾掉非正常信號(hào)，得到有效流速信號(hào)，有效流速數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算算術(shù)平均值后作為兩條垂線間的平均流速。

5.2 水面流速與垂線平均流速相關(guān)分析

選取吳堡水文站比測(cè)試驗(yàn)中與實(shí)測(cè)流量同時(shí)進(jìn)行對(duì)比的測(cè)次中的部分測(cè)速垂線，用這些垂線的平均流速與對(duì)應(yīng)垂線的微波流速儀所測(cè)水面流速點(diǎn)繪相關(guān)關(guān)系。由于左右岸邊流速較小，微波流速儀對(duì)小流速不敏感，因此剔除掉左右岸垂線流速小于0.5 m/s的數(shù)據(jù)，得到的相關(guān)關(guān)系見圖2，可以看出虛流速與垂線平均流速的相關(guān)性比較好。

5.3 虛流量和實(shí)測(cè)流量相關(guān)分析

分別點(diǎn)繪吳堡、龍門兩水文站微波流速儀所測(cè)虛流量與流速儀法實(shí)測(cè)或水位流量關(guān)系線推求的流量相關(guān)關(guān)系（見圖3、圖4）并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，可以看出斷面虛流量與實(shí)測(cè)流量的確定系數(shù)均在0.9以上。

5.4統(tǒng)計(jì)誤差與分析

相對(duì)誤差均值X、標(biāo)準(zhǔn)差S、隨機(jī)不確定度Xwb，分別采用下列公式計(jì)算：式中：n為樣本總數(shù)；X_i為微波流速儀測(cè)量流量第i次測(cè)量誤差值。

誤差評(píng)估按《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（ GB 50179-2015）[1]中的規(guī)定：“對(duì)斷面比較穩(wěn)定和采用試驗(yàn)浮標(biāo)系數(shù)的測(cè)站，均勻浮標(biāo)法單次流量測(cè)驗(yàn)的允許誤差不應(yīng)超過表C.1.4的規(guī)定?！本鶆蚋?biāo)法單次流量測(cè)驗(yàn)的允許誤差見表1。

吳堡水文站微波流速儀所測(cè)流量的誤差統(tǒng)計(jì)見表2。

吳堡水文站微波流速儀在試驗(yàn)比測(cè)期間共測(cè)流100次，有42個(gè)測(cè)次在同期同條件下可進(jìn)行往測(cè)和回測(cè)平均，分別對(duì)吳堡水文站微波流速儀100次全樣本、往測(cè)和回測(cè)均值42次樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及誤差分析。微波流速儀主要是針對(duì)測(cè)量大洪水的。筆者分析所測(cè)流量及流速發(fā)現(xiàn)：當(dāng)吳堡站所測(cè)流量在400 m3/s以下時(shí)，所測(cè)水面流速有1/2～ 2/3在1 m/s以下：當(dāng)所測(cè)流量在200 m3/s以下時(shí)，所測(cè)水面流速大都在1 m/s以下。因此，筆者又進(jìn)行了往測(cè)和回測(cè)均值剔除流量小于390 m3/s的情況與實(shí)測(cè)值的相關(guān)分析，見圖4。從表2可以看出，吳堡水文站微波流速儀在各種分類情況下的系統(tǒng)誤差都較小，但是隨機(jī)不確定度都比較大，只有“往測(cè)和回測(cè)平均（剔除小流量點(diǎn)）”的情況下的隨機(jī)不確定度才滿足三類精度站的要求。

龍門水文站微波流速儀所測(cè)流量的誤差統(tǒng)計(jì)見表3。

龍門水文站微波流速儀在試驗(yàn)比測(cè)期間共測(cè)流102次，但前期由于測(cè)流軟件存在問題，因此造成記錄計(jì)算結(jié)果不正確。軟件正常后往測(cè)和回測(cè)分別測(cè)試31、30次，有28次符合往測(cè)或回測(cè)平均要求。從表3可以看出，龍門水文站微波流速儀比測(cè)不論是往測(cè)還是回測(cè)，單次測(cè)量指標(biāo)均不符合規(guī)范要求，經(jīng)往測(cè)和回測(cè)平均后才滿足規(guī)范對(duì)三類精度站的要求（樣本數(shù)為28時(shí)，按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（ GB 50179-2015）規(guī)定，表3中的隨機(jī)不確定度計(jì)算時(shí)乘以系數(shù)2.052）。

6 結(jié)語

（1）經(jīng)吳堡、龍門兩水文站的比測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)比測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，微波流速儀動(dòng)態(tài)積寬式測(cè)流技術(shù)在多沙河流尤其漂浮物較多時(shí)應(yīng)用效果顯著。

（2）與浮標(biāo)法流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)比較，應(yīng)用微波流速儀動(dòng)態(tài)積寬式測(cè)流，測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)、輸出等自動(dòng)化水平都得到較大提高，并減少了人力。

（3）有效縮短了測(cè)流歷時(shí)。微波流速儀動(dòng)態(tài)積寬式測(cè)流在吳堡水文站一次流量測(cè)量時(shí)間平均為17 min，往返約35 min；龍門水文站一次流量測(cè)量時(shí)間平均為15min往返約30 min，可有效縮短測(cè)流歷時(shí)50%以上，為快速、準(zhǔn)確測(cè)量大洪水提供了一條新的技術(shù)途徑。

（4）通過比測(cè)試驗(yàn)，認(rèn)為微波流速儀主要應(yīng)用于大洪水測(cè)驗(yàn)。所測(cè)流速需大于微波流速儀測(cè)量下限，采用動(dòng)態(tài)積寬式測(cè)流技術(shù)需用往測(cè)和回測(cè)的平均值作為一次測(cè)量結(jié)果。

（5）建議繼續(xù)組織開展并擴(kuò)大試驗(yàn)范圍。受時(shí)間限制，本次試驗(yàn)未能測(cè)得比較大的洪水，以后應(yīng)繼續(xù)組織開展試驗(yàn)，收集洪水比測(cè)資料，以獲得更大的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范：CB 50179-2015[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2016：14- 101.