秦福清

（山西長治水文分局，山西 長治 046011）

當前，我國大部分中小河流的流量測驗，通常采用常規(guī)的轉子式流速儀、浮標法測得流速，再通過流速面積法將流速轉換為流量，給工作造成很大不便。隨著我國科技的迅猛發(fā)展，為減少洪水對國家和人民生命財產(chǎn)造成的損失，要求采用先進的測流方式和儀器，在最短的時間內(nèi)能夠測得準，報得出。雷達波測流已被水文行業(yè)認可，先后推出多種雷達波測流儀，可在中小河流中實現(xiàn)流量自動測驗。雷達波流速儀即電波流速儀，主要包括無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)、在線遙控多探頭雷達波測流系統(tǒng)、纜道雷達波測流設備和手持電（雷達）波流速儀等。

1 雷達波測流儀器介紹

1.1 無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)

無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)，俗稱水文纜道測流機器人，是參照我國水利行業(yè)標準 GB 50179—93《河道流量測驗規(guī)范》[1]，結合 SL 443—2009《水文纜道測驗規(guī)范》[2]開發(fā)研制的。2010年3月研制成功，2 a 來通過在不同河流和環(huán)境測試，各項指標都符合《水文測驗規(guī)范》要求。2012年4 月19日獲國家知識產(chǎn)權局實用新型專利權，專利號：201120383729.3[3]。

1.1.1 測驗原理

無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)，是把雷達波定位測驗流速儀懸掛在配套直徑 4.2 mm 的簡易鋼絲繩纜道上，利用無線遙控、配套定位和測流軟件，通過在電腦上遠程操作，以非接觸方式測驗和計算水面流速、斷面流量。無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)整體結構示意圖如圖 1 所示。

圖1 無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)整體結構示意圖

1.1.2 設備組成

1）測驗纜道。在河道測驗斷面，架設和儀器設備配套使用的 4.2 mm（如河道斷面寬超過 300 m，鋼絲繩應加粗，定位滑輪加大）不銹鋼或鍍鋅鋼絲繩高低簡易纜道，高纜道用于高洪測流，低纜道用于日常測流。

2）雷達波定位測驗流速儀。由多普勒雷達波測速傳感器、步進電機及配置有高性能專用微步距電腦控制芯片的高性能細分驅(qū)動器、PLC、無線信號傳輸裝置及內(nèi)置鋰電池組成，儀器結構如圖 2 所示。

圖2 雷達波定位測驗流速儀

3）無線遙控數(shù)字化處理器。由電腦、無線遙控、儀器定位控制及測流數(shù)字化處理計算軟件組成。

1.1.3 性能特點

無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)主要用于較大洪水流量的測驗，也適合高流速、水浪，以及多漂浮物情況下，常規(guī)轉子式流速儀或 ADCP 無法入水測驗時，進行流量測驗，還可用于巡測和常規(guī)性測流。

1.1.3.1 安全可靠、省時省力、全新便攜式

1）測驗操作沒有安全隱患，儀器以非接觸方式進行測驗，測驗人員在安全地帶進行遙控測流。

2）雷達波流速儀體積小，重量輕，1 人即可輕松安裝操作。掛上儀器后，在觀測房或汽車內(nèi)，短時間內(nèi)即可獲得洪水數(shù)據(jù)。

3）儀器攜帶、安裝方便，無需現(xiàn)場接線，隨時安裝，迅速測流。測驗纜道簡便、經(jīng)濟，無線遙控，定位測驗，數(shù)字化處理。

1.1.3.2 精度高、速度快，不受風雨和停電限制，測驗數(shù)據(jù)準確規(guī)范

1）雷達波定位測驗流速儀運行速度達 60 m/min。在測驗斷面垂線水面流速為 1.00 m/s 時，該儀器每秒可采集 4 次測點水面流速。如該測點測驗歷時設置的是 20 s，該測點可測得近 80 個流速數(shù)據(jù)，測流軟件會自動去掉 10% 的最大和最小流速數(shù)據(jù)，然后再平均，部分消除了纜索和儀器擺動的誤差。在水位、測驗斷面不發(fā)生變化時，多次在水面流速約為1.00 m/s 的同一測速垂線，測得水面平均流速的重復性不超過 0.03 m/s。水面寬 100 m 的河流完成測流僅需要幾分鐘，非常適合洪水搶測。

2）風雨天氣可正常測流。為減小風對儀器的擺動，儀器外部設有平衡球穩(wěn)定設施。軟件方面，設置了有效測點流速數(shù)據(jù)的讀取程序，可自動生成降雨模式測驗。野外作業(yè)由鋰電池供電，配有 220 V 交流電和車載 2 種充電器，自帶電源可保證連續(xù)工作5 h 以上，電池保用 5 a。

3）流速數(shù)據(jù)采集記錄由計算機自動完成。測驗完成后可立即算出流量，顯示存儲或打印出測流成果，自動化程度高，測驗操作平臺簡捷易懂，顯示清晰。且有手動和自動測流功能，對有異議的測點可再次進行測驗；可自由定位測流，也可在電腦上對水位、測驗斷面變化情況進行處理；可計算分析出洪水流量，計算過程中的測流數(shù)據(jù)和參數(shù)按 GB 50179—93《河道流量測驗規(guī)范》進行校驗，測流結果滿足測驗規(guī)范要求，可直接錄入數(shù)據(jù)庫，無需后續(xù)處理 。

1.1.3.3 功能完備、可靠性高、適應性廣

1）系統(tǒng)理論允許最大跨度：1000 m；最多測驗垂線：50 條；測速范圍：0.20～18.00 m/s；無線遙控定位測流理論遙控距離：2000 m。測驗操作平臺關閉或出現(xiàn)故障時，200 s 后儀器會自動返回停泊點。電腦操作平臺有通訊、電壓數(shù)據(jù)檢測顯示，并有電壓不足自動報警功能。儀器所選元件均按工業(yè)級器件配置，控制系統(tǒng)采用 PLC 控制。應用在大于300 m 的簡易鋼絲繩纜道上，應根據(jù)長度適當加粗鋼絲繩，并注意調(diào)整起點距系數(shù)。

2）雷達波流速儀也可安裝在橋上進行測驗，功能可升級擴展，全防水設計，也可根據(jù)使用者要求進行改進。

1.2 在線遙控多探頭雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)

該測流系統(tǒng)適用于無人值守水文站，與公路雷達超速監(jiān)測相似。把多個雷達波測速傳感器探頭用電纜連接，布設在測驗河道斷面不同的起點距位置，由 PLC、集成線路板及太陽能電池組成的數(shù)據(jù)信號處理器，通過無線傳輸，測驗河道斷面多條垂線水面流速。通過雷達或氣泡式水位計同步采集水位數(shù)據(jù)，或由其它方式獲得水位數(shù)據(jù)，通過水位——實測大斷面成果定時計算斷面流量?？稍诂F(xiàn)場顯示或通過 GPRS 無線網(wǎng)絡傳輸?shù)剿木直O(jiān)控中心，監(jiān)測、記錄、傳輸和存儲河道流量。不足之處是測驗環(huán)境要求較高，要求河床斷面比較穩(wěn)定。

1.3 纜道雷達波測流設備

纜道雷達波測流設備采用多普勒雷達波測速傳感器，以非接觸方式測量水流表面流速，借助水文站現(xiàn)有的鉛魚纜道設施，測量每條垂線水面流速，配套測流軟件，計算斷面流量。該雷達波測流設備可取代浮標法進行高洪測驗，也可用于常規(guī)性和低流速測流，特別適合高流速、污水和大量漂浮物條件下的流量測驗。該測流設備主要設計安裝在水文纜道行車架或鉛魚上，在蓄電池壽命期內(nèi)，可一直免維護運行。不足之處是必須有配套帶拉偏索的絞車纜道，安裝在水文纜道行車架上，由于行車架太高，小于 0.5 m/s 的流速測得的數(shù)據(jù)不準確。

1.4 手持電（雷達）波流速儀

目前手持電（雷達）波流速儀種類較多，名稱也較多，如電波流速儀、手持雷達槍、微波流速儀等。比較先進的是具有流速平均、回波強度、角度改正、自動生成降雨模式、輸入和計時秒表等功能的電波流速儀，適用于橋測、有吊箱的纜道和斷面比較窄的河道測量。但在手持測驗時，不能抖動，角度要掌握好。

2 雷達波流速儀比測分析

以山西省局、黃河中游局、四川都江（內(nèi)江）、長潭河等水文測站比測分析資料，在不同河流、環(huán)境下，對雷達波測速儀、浮標法、常規(guī)轉子式流速儀測流進行多次嚴格比測，各項指標符合《水文測驗規(guī)范》要求。

2.1 可能漲水的水文站比測情況分析

2011 年，根據(jù)天氣預報，查找有可能漲水的水文站，分別在陜西省黃河中游局吳堡和山西省的水文站，對“無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)”與LS25 旋漿流速儀、LS68 旋杯流速儀、手持雷達槍（手持電波流速儀）、浮標法進行比測。陜西省榆林吳堡縣黃河中游局吳堡（二）、山西晉中市榆社縣榆社（石棧道二）、山西忻州市靜樂縣靜樂（河道）、山西長治石梁等水文站的河道測驗斷面比測情況如表1～4 所示。

通過以上比測，“無線遙控電波數(shù)字化測流系統(tǒng)”測得數(shù)據(jù)與常用的 LS25 旋漿式流速儀、LS68旋杯式流速儀基本一致。在水位不發(fā)生變化、無風的情況下，連續(xù)幾次測試，測得流量數(shù)據(jù)基本相同，不存在人為操作誤差因素。表1～4 數(shù)據(jù)的誤差，主要是水面受風影響產(chǎn)生的，在水文測驗規(guī)范要求范圍，精度高于浮標法測驗。

表1 陜西省榆林吳堡縣黃河中游局吳堡（二）水文站比測情況 [4] 9-15

表2 山西晉中市榆社縣榆社（石棧道二）水文站比測情況[4] 16-24

表3 山西忻州市靜樂縣靜樂（河道）水文站比測情況 [4] 25-36

表4 山西長治石梁水文站比測情況 [4] 57-72

2.2 都江堰都江（內(nèi)江）站比測情況分析

都江（內(nèi)江）站測驗斷面位于都江堰景區(qū)內(nèi)江河道，斷面寬約 200 m，河道順直，常年水位變幅3 m 左右，流速范圍在 2.00～4.00 m/s 之間，測流設施為半自動鉛魚纜道。

為檢測纜道雷達波流速設備的測流精度、對環(huán)境適應能力和長期工作的穩(wěn)定性，把設備安裝在纜道行車架上，距水面高度約 20 m，采用 7A·h 蓄電池供電，太陽能板自動充電。自 2010年7 月安裝使用迄今。

纜道雷達波測流設備采用 34.7 GHz 雷達波探頭，從行車架上以 45° 俯角向水面發(fā)射，根據(jù)水面反射波的多普勒頻移測量流速，流速數(shù)據(jù)通過無線電臺發(fā)送到纜道操作操作室內(nèi)，通過接收電臺的RS-232 串口進入計算機。

為分析雷達波流速儀測量精度，利用纜道電波測流設備與 LS25-1 型旋槳式流速儀進行比測，比測時間為 2010-08-20 T 10:32—11:26，當時天氣：雨，水位 728.14 m，相對測量位置均為 0，測量歷時均為90 s，比測數(shù)據(jù)具體如表5 所示。

表5 都江（內(nèi)江）站 2010年8月20日比測數(shù)據(jù) [5]

由于雷達波流速儀測點的位置在轉子式流速儀測點的上游，2 處流速會有一定偏差。同時纜道有一定垂度，導致雷達波測點不確定。因此，偏差隨起點距位置不同而變化，從實測對比數(shù)據(jù)看，上游流速略小，這與該河段有明顯縱比降相符。

都江（內(nèi)江）站 2010年8月20日 10 : 32—11 : 26 比測數(shù)據(jù)相關性如圖 3 所示，可以看出，2 組流速數(shù)據(jù)相關性很好。根據(jù) 10 次比測成果，雷達波和轉子式流速儀的流速數(shù)據(jù)相關性都在 99% 以上。

圖3 都江（內(nèi)江）站 2010年8月20日比測數(shù)據(jù)相關性

由于雷達波測流不受水面漂浮物影響，在雨天和夜間采用自動采集方式測流非常方便，是取代浮標進行高洪測流的理想方法，測量精度和時效都優(yōu)于浮標法。

如果采用鉛魚安裝方式，在每條測流垂線的固定高度施測，可以減小因行車架安裝方式導致測點不確定造成的誤差。通過在不同水位、流量級進行大量樣本數(shù)據(jù)分析，找出雷達波和轉子式流速儀施測數(shù)據(jù)的精確關系，在平水時亦可取代轉子式流速儀測流。

2.3 湖南長潭河水文站比測情況分析

長潭河水文站流量測驗全年均在電動纜道上進行，在轉子式流速儀測驗的同時，進行雷達波流速儀測速，雷達波流速儀測速測深垂線的選擇與轉子式流速儀測量的垂線相同，采用同一測深的水深分別進行轉子式流速儀測驗流量的計算和電波流速儀測量虛流量計算（乘以該站水面流速系數(shù) 0.88），得到 2 種流速儀測驗的流量成果，并進行比測資料的分析統(tǒng)計計算。

根據(jù)長潭河水文站 2010年7—9 月在不同水位級采用 2 種流速儀所測的點流速和流量成果，以國產(chǎn)轉子式流速儀測量值為真值，進行比測資料的比較分析及誤差統(tǒng)計，計算得出：點流速比測 134 個，隨機不確定度為 14.0%，標準差為 7.0%，系統(tǒng)誤差為 1.0%；比測流量資料統(tǒng)計 29 次，隨機不確定度為 10.6%，標準差為 5.3%，系統(tǒng)誤差為 -0.5%?？梢姳葴y分析結果是比較理想的，達到流量測驗規(guī)范對誤差的要求。雷達波流速儀測流因其影響測驗精度的因素要少于浮標法，所以精度要高于浮標法。具體比測誤差計算表如表6 所示。

通過對比測資料的分析和統(tǒng)計得出：測驗時如有大風，對雷達波流速儀測驗精度有較大影響。如第 7， 8，27 次流量偏大，是因為在測驗時有較大風影響所致，特別是第 27 次是在低水位且有大風時測速，誤差很大。第 17，18，36，37 次為低水位時測流，流量偏小。因此，測流時機的掌握顯得十分關鍵。雷達波流速儀應用于實際測驗工作中還有待于更進一步地試驗分析與探討，直至達到滿足實際測流工作需要的目的。

3 雷達波流速儀的特點

1）雷達波流速儀測流時，河道流速越大，回波信號越強。多普勒雷達波測速傳感器，是根據(jù)河流流速特點，按要求設計的。雷達波流速儀在 1 m/s 的流速時，100 m 內(nèi) 1 s 可以測得 4 次流速，并有自動轉換降雨模式功能。

2）在測驗距離上，距離越近，回波信號越強。在 2 m 的距離內(nèi)，可測得 0.2 m/s 的流速。

3）在測流角度上，雷達波測速探頭俯角越大，與水面接觸面越小，回波信號越弱；俯角越小，與水面接觸面越大，回波信號越強。

4）在測驗歷時上，流速越大，測得流速數(shù)據(jù)越多；流速越小測得流速數(shù)據(jù)越少。

根據(jù)雷達波流速儀特點，應根據(jù)測驗環(huán)境的實際情況進行選型。如無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)，需架設高低簡易不銹鋼鋼絲繩纜道，根據(jù)具體情況調(diào)整雷達波測速探頭測驗角度和歷時。

表6 長潭河水文站 2010年7——9 月流量比測誤差計算表[6]

4 影響測流數(shù)據(jù)的因素及處理方法

1）風向?qū)y流數(shù)據(jù)的影響。在雷達波流速儀測量水面流速時，雷達波流速儀本身測得數(shù)據(jù)沒問題，但水面如果受風的影響，送風水面流速會偏大，逆風水面流速會偏小。流速越大，風影響水面流速的因素相對要??；流速越小，風影響水面流速的因素相對要大。這就要求在成果資料整理上，借鑒浮標測驗法，觀測風力、風向，對成果資料進行整理，雷達波與浮標法測流的水面流速系數(shù)相同。無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)對測驗時的天氣情況進行了記錄，水位、測驗斷面變化也可隨時在電腦上進行處理。

2）測流角度對測流數(shù)據(jù)的影響。在測流角度上，在中到暴雨情況下對測流是有影響的。雖然多普勒雷達波測速傳感器，設計了自動轉換降雨模式功能，但一點影響沒有是不可能的，所以在測流操作中應該調(diào)到降雨影響最小的俯角（60°）。另外在測流操作中，對于特別低的流速，為加大雷達波與水面接觸面，測流角度應該調(diào)到與水面接觸面最大的俯角（30°）。

3）測流歷時對測流數(shù)據(jù)的影響。由于流速越大每秒測得流速數(shù)據(jù)越多，流速越小每秒測得流速數(shù)據(jù)越少，所以流速大時，測速時間可短些，流速小時，測速時間應長些。常規(guī)下，流速大于 1 m/s 時，測速時間可在 20～30 s；流速在 0.5～1.0 m/s 時，測速時間可在 30～60 s；流速小于 0.5 m/s 時，測速時間可在 60～90 s。

5 結語

通過在不同河流、環(huán)境下進行比測和分析，可以得出雷達波測流精度高于浮標法，測驗歷時短，1 個人也可操作測流，符合 GB 50179—93《河道流量測驗規(guī)范》第 5 章浮標法測流精度要求，可在大多數(shù)測流場合應用。特別是“無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)”，解決了轉子式流速儀和 ADCP 在高流速、有水浪無法入水，有漂浮物和水草纏繞儀器不能測驗、不安全等問題；解決了浮標法測驗投浮標、守斷面發(fā)信號、瞄浮標畫圖、卡秒表、資料整理計算、用人多、測驗歷時長、不安全等問題，此測流系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟適用、施工和安裝簡便，隨時可投入使用，且在最短的時間內(nèi)能夠測得準、報得出，能為國家提供可靠決策依據(jù)，可以成為目前中小河流流量自動測驗的主要測具。

[1]中華人民共和國水利部. GB 50179—93 河流流量測驗規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，1994: 1-114.

[2]中華人民共和國水利部. SL 443—2009 水文纜道測驗規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2010: 26-36.

[3]秦福清. 無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng).中國，201120383729.3 [P]. 2012-04-19.

[4]山西長治水文水資源勘測分局. 2010—2012 年無線遙控雷達波數(shù)字化測流系統(tǒng)比測、測試資料[R]. 長治：山西長治水文水資源勘測分局，2012.

[5]四川都江堰都江（內(nèi)江）水文站. S3-SVR 型纜道雷達波測流設備(都江堰都江（內(nèi)江）站比測情況分析)[R].都江堰：四川都江堰都江（內(nèi)江）水文站，2010: 1-3.

[6]湖南省水文水資源勘測局長潭河水文站. 長潭河水文站雷達波—流速儀比測實驗與分析[R]. 慈利：長潭河水文站，2010: 6-12.