電波流速儀在韓府灣站的應用分析

馬軍

摘? 要：文章通過對山洪溝道流量測驗中，使用斯德克電波流速儀（SVR-V2.0）和浮標法同時比測水面流速，對比分析結(jié)果表明，斯德克電波流速儀與浮標法同步施測的水體表面流速相對誤差符合水文測驗規(guī)范中對流速測驗的要求，因此電波流速儀的穩(wěn)定性和實用性得到驗證，解決了韓府灣水文站中高水流速測驗的難題。

關鍵詞：斯德克電波流速儀;韓府灣水文站;比測應用分析

中圖分類號：P335.1? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0184-03

Abstract： In this paper， in the flow measurement of mountain torrent channel， the velocity of water surface is measured by Stalker PROⅡ SVR-V2.0 and buoy method at the same time. The results show that the velocity of water surface is measured at the same time. The relative error of the surface velocity of water measured synchronously by the Stalker PROⅡ SVR-V2.0 and the buoy method meets the requirements of the hydrological test specification for the velocity measurement， so the stability and practicability of the radio wave velocimeter have been verified. Thus， the difficult problem of medium and high water velocity measurement in Hanfuwan Hydrologic Station is solved.

Keywords： Stalker PROⅡ SVR-V2.0; Hanfuwan Hydrological Station; comparison and application analysis

1 概述

韓府灣水文站設立于1959年2月1日，位于寧夏中衛(wèi)市海原縣李旺鎮(zhèn)韓府灣村，集水面積為4935km2，至河源138km，至河口181km，河床平均比降14.9萬分率，屬于黃河流域?qū)幭木硟?nèi)清水河中游重點流量、泥沙等控制水文站，地理位置屬黃土丘陵溝壑區(qū)半干旱向干旱區(qū)域過渡代表站。歷史實測最大洪峰流量1500m3/s（1995年8月5日），多年平均徑流量5620萬m3，最大含沙量為1240kg/ m3（1966年8月10日），全年洪水主要集中在主汛期7月至8月，占全年總徑流量的50%。目前，該站測驗方式是低水采用涉水流速儀測速，中水采用查線推流的方法報汛，高水采用水文纜車測深、電波流速儀或中弘浮標法測速。電波流速儀施測流速的原理為無接觸水體的測流方式，不受水面漂浮物的影響，且具有操作安全，攜帶方便，測量精度高，流速測量瞬時顯示，符合搶測山洪溝道陡漲陡落的測速條件，因而韓府灣水文站施測洪水采用電波流速儀測速成為目前為止最為合適的測速替代工具。

2 電波流速儀及浮標的測量原理及技術指標

2.1 測量原理

2.1.1 電波流速儀

電波流速儀的突出特點是專門開發(fā)的智能水面回波頻譜分析算法，具有水流方向選擇功能，有效排除與水面流速無關的干擾信號，適應各種復雜波浪環(huán)境，測量的水面流速穩(wěn)定可靠。儀器采用高速 DSP芯片處理水面多普勒回波，同時加大微波發(fā)射功率，標準發(fā)射功率從10 mw增加到50 mw，流速測量精度達到厘米級，經(jīng)實測，距水面最大有效測程達到100m，可以在強降雨環(huán)境中進行流速測量，且儀器本身的大屏幕 LCD顯示器同時顯示水面流向、瞬時流速、測量歷時、回波強度和平均流速，測速操作過程簡單，結(jié)果一目了然，且測速計時分辨率為0.1秒，最大測速歷時可以記至100秒以上，總歷時能夠即時顯示，符合水文測驗規(guī)范。

電波流速儀是通過電磁波遇到河道水流表面時發(fā)生回波反射，在不同介質(zhì)、水體表面波源、測量者之間發(fā)生相對運動而引起電磁波頻率改變原理研發(fā)而成。在測速時，水體表面波源與儀器探頭保持固定不動，水流相對運動而引起水面反射波頻率改變，且改變量的變化，與水體表面流動的相對速度有關。發(fā)射率與反射率的頻率差值，就是多普勒頻率，用數(shù)學公式表示為：

式中fd=|f0-f1|，f1=c·？姿，fd=2f0·V·c·cosθ，fd為多普勒頻率， f0為發(fā)射頻率，f1為接收到的回波頻率，V為水體表面流速，c為電磁波在空氣中的傳播速度，λ為發(fā)射波波長，θ為發(fā)射波與水面方向夾角，由方位角與俯角構成。

當電波流速儀雷達波錐度角為12°，距水面10m時波束覆蓋范圍約為直徑兩米的圓形區(qū)域，顯示該面積內(nèi)的平均流速，測得的流速數(shù)據(jù)大小與離水面的測程、雷達波錐角度有關。因此，電波流速儀測量的水面流速是面積內(nèi)圓形區(qū)域的平均流速，旋漿式流速儀測得的是點平均流速，其原理不同。

2.1.2 浮標法

采用麥草或木質(zhì)材料制作成浮標，用投放器將浮標均勻投入河流中，上斷面值守人員發(fā)出浮標開始時間，中斷面測得每個浮標經(jīng)過中斷面的起點距位置，下斷面觀測人員測得浮標流動的歷時，根據(jù)其運行歷時計算流速，用數(shù)學公式表示為：

式中 Vfi-第I個浮標的實測浮標流速（m/s）;

Lf-浮標上、下斷面間的垂直距離（m）;

ti-第I個浮標的運行歷時（s）。

通過點群重心勾繪一條浮標流速橫向分布曲線，從浮標流速橫向分布曲線上查讀出不同位置的水面虛流速。

2.2 主要技術指標

斯德克電波流速儀的主要技術指標見表1。

3 電波流速儀比測試驗分析

3.1 測點流速誤差分析

本次文章共收集韓府灣水文站2018年8月14日～15日中高水不同流量級水面流速比測資料85組。在比測時，同時在每條垂線上進行斯德克電波流速儀和浮標同點水面流速測量，對變化較大的異常數(shù)據(jù)或在橋上測量時，受行人、車輛、河邊隨風擺動的植物等干擾影響的單點數(shù)據(jù)進行分析和舍棄，比測分析見表2。

由表2可知，在全部測次85中，有45次電波流速儀測點流速小于浮標，占52.9%，有63.1%的測次誤差在±5%以內(nèi)，有81%的測次誤差在±8%以內(nèi)，有85.7%的測次誤差在±10%以內(nèi)。

3.2 相關關系分析

通過點繪電波流速儀與浮標所測水面流速的關系曲線圖，建立兩變量組之間的回歸方程，分析其相關關系，見圖1，得出數(shù)學公式為：y=0.921x+0.112，其中x為斯德克電波流速儀實測值，y為浮標線性理論值，相關系數(shù)R2=0.975，為顯著相關。

4 結(jié)束語

（1）從實際水面比測數(shù)據(jù)情況得知，電波流速儀與浮標有85.7%的測次誤差在±10%以內(nèi)，兩者有顯著的相關關系，說明電波流速儀在山洪溝道陡漲陡落的洪水流速實測中性能比較穩(wěn)定。

（2）電波流速儀若按照使用說明書中在中高水使用中規(guī)定垂直角最佳取值為45°左右時，所測數(shù)據(jù)誤差較小，若在降雨強度較大的時候應設定為60°，否則產(chǎn)生的偏差較大。但根據(jù)中高水實際測量應用中驗證得到，當流量較小時或水面過于平穩(wěn)時，應盡量調(diào)整電波流速儀高度，離水面越近，測得數(shù)據(jù)越準確。浮標法測速由于水面流向不固定，浮標分布不均勻或有效浮標過少，導致浮標在水體表面的流速橫向分布曲線不準;浮標制作的人工誤差、運行的記時誤差;風向、行人、車輛、河邊隨風擺動的植物等對浮標運行的影響誤差，種種情況表明浮標測速誤差來源要多于電波流速儀。

（3）電波流速儀作為水文測驗信息化發(fā)展中的一種新型測驗儀器，目前在寧夏各水文站流量施測中得到了較為廣泛的應用，大大減輕了人員的工作強度，提高了測流成果的時效性，為搶測洪峰、山洪溝道流域洪水預報和防汛指揮調(diào)度增加了預見性。

（4）由于電波流速儀在岸邊操作，對于陡漲陡落的山區(qū)河流，受斷面垂直流速分布和斷面河寬的變化影響，其流速的測速質(zhì)點失去代表性，引起數(shù)值失真，因此對電波流速儀的應用推廣還需在理論和實際應用中不斷進行研究探索，使其更好地服務于水文現(xiàn)代化事業(yè)。

參考文獻：

[1]SL337-2006.聲學多普勒流量測驗規(guī)范[S].

[2]GB50179-93.河流流量測驗規(guī)范[S].

[3]SL247-2012.水文資料整編規(guī)范[S].

[4]李光錄，王秀蓮.電波流速儀在青海三江源區(qū)水文監(jiān)測中的應用[J].人民長江，2010，41（14）：48-50.