鄭應(yīng)成

（廣西壯族自治區(qū)水文水資源局，廣西 南寧 530023）

0 引言

在開(kāi)展水文測(cè)驗(yàn)方式改革的活動(dòng)中，面臨一個(gè)問(wèn)題：在人少事多的情況下，對(duì)大量的中小河流如何實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)式測(cè)流。

目前常用的聲學(xué)多普勒剖面流速儀（ADCP）能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，測(cè)流自動(dòng)化程度高；但體積大，附件多，價(jià)格高，受漂浮物、泥沙影響大，最少需要 3 人配合，才能完成測(cè)流工作。

傳統(tǒng)的旋槳式流速儀具有測(cè)量精度高，測(cè)流范圍大，最適合水流速度較低的淺水河流測(cè)流，且價(jià)錢(qián)低，體積?。坏僮髀闊?，受漂浮物影響大，測(cè)流時(shí)間長(zhǎng)，附件多，水流速度高時(shí)，測(cè)流就有一定的危險(xiǎn)性，需 2 人配合，才能完成測(cè)流工作。

手持式電波流速儀測(cè)流，不受漂浮物、泥沙的影響，測(cè)流時(shí)間短；且儀器體積小，便于攜帶，價(jià)錢(qián)適中，1 個(gè)人就可以完成測(cè)流工作。由于是非接觸測(cè)流，手持式電波流速儀已用于渠道、洪水、潰壩、決口、泥石流等應(yīng)急測(cè)量，尤其適用于汛期搶測(cè)洪峰，但目前在日常的測(cè)流工作中使用不多。如廣西水文常用旋槳式流速儀和 ADCP 測(cè)流，電波流速儀在實(shí)際工作中較少使用，究其原因主要是人們認(rèn)為其測(cè)量誤差大。

為了驗(yàn)證手持電波流速儀測(cè)流誤差是否符合測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求，用流速面積法測(cè)流是否可行，將ProII SVR 手持式電波流速儀放到流速儀檢定水槽進(jìn)行校準(zhǔn)；在實(shí)際中小河流野外巡測(cè)工作中，對(duì)手持式電波流速儀用流速面積法與傳統(tǒng)流速儀、ADCP 同時(shí)進(jìn)行比測(cè)，以驗(yàn)證手持式電波流速儀能否獨(dú)立在中小河流測(cè)流。

1 手持式電波流速儀測(cè)量原理及技術(shù)指標(biāo)

1.1 工作原理

Pro II SVR 手持式電波流速儀由雷達(dá)槍、220 V充電器、手提儀器箱等組成。

Pro II SVR 電波流速儀是利用電磁波多普勒效應(yīng)的原理測(cè)量水流速度的，測(cè)量時(shí)，雷達(dá)頭指向水流，扣動(dòng)發(fā)射按鈕，發(fā)出無(wú)線電波。當(dāng)電波遇到水面的波浪反射面時(shí)，發(fā)射電波中的一小部分返回到雷達(dá)頭。雷達(dá)設(shè)備根據(jù)發(fā)射和返回信號(hào)頻率的不同，通過(guò)計(jì)算求出水流速度。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo) [1]

Pro II SVR 由運(yùn)動(dòng)型雷達(dá)升級(jí)改造，具有流速平均、回波強(qiáng)度指示、角度改正輸入和計(jì)時(shí)秒表等功能。采用專門(mén)為水面流速測(cè)量開(kāi)發(fā)的智能表面回波分析算法，可有效排除與水面流速無(wú)關(guān)的干擾信號(hào)，保證水面流速測(cè)量穩(wěn)定可靠。

Pro II SVR 手持式電波流速儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)速范圍為 0.20～18.00 m/s；精度為 ± 0.03 m/s；波束寬度為 12°；計(jì)時(shí)范圍為 0～99.9 s；計(jì)時(shí)精度為0.1 s；微波功率為 50 mW；工作溫度為 -30～+70℃；工作頻率為 Ka 波段（34.7 GHz）；最大測(cè)程為 100 m（4 級(jí)靈敏度可調(diào)）。

2 手持電波流速儀在流速儀檢定水槽的校準(zhǔn)

由于野外天然河道的河流具有脈動(dòng)性，水位常有波動(dòng)性，在此進(jìn)行儀器校準(zhǔn)很難說(shuō)明問(wèn)題，為了檢測(cè)手持電波流速儀的準(zhǔn)確性，在華南水文儀器檢測(cè)中心對(duì)手持式電波流速儀進(jìn)行校準(zhǔn)。華南水文儀器檢測(cè)中心有 1 條 180 m 長(zhǎng)的流速儀檢定專用水槽，水槽達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 21699-2008《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定-校準(zhǔn)方法》中的 1 級(jí)精度。將儀器固定在檢定車上，由檢定車提供標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)速度，速度從 0.1～5.0 m/s 逐級(jí)與電波流速儀測(cè)速進(jìn)行比較， Pro II SVR 測(cè)出的速度ν理論上應(yīng)與檢定車提供的校準(zhǔn)速度νi一樣，如有差值就是誤差。校準(zhǔn)結(jié)果如表 1 所示。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11826-2002 《轉(zhuǎn)子式流速儀》中評(píng)價(jià)儀器性能指標(biāo)為全線相對(duì)均方差，公式如下：

式中：m 為全線相對(duì)均方差；n 為參加計(jì)算的樣本數(shù)，n =19（因?yàn)楸?1 中的第 1 個(gè)測(cè)得速度不在儀器測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量范圍內(nèi)共有 19 個(gè)有效點(diǎn)）。

按照表 1 中的數(shù)據(jù)，利用式（1）計(jì)算，電波流速儀在校準(zhǔn)速度 0.199～5.059 m/s 范圍內(nèi)的全線相對(duì)均方差為 1.32%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11826-2002《轉(zhuǎn)子式流速儀》中不大于 1.8% 的規(guī)定[2]，說(shuō)明 Pro II SVR 的測(cè)流精度達(dá)到轉(zhuǎn)子式流速儀的精度。

表1 的 19 個(gè)流速中只有 2 點(diǎn)的絕對(duì)誤差超出手持式電波流速儀技術(shù)指標(biāo)（± 0.03 m/s），但也達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 21699-2008《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定-校準(zhǔn)方法》中的有關(guān)超差點(diǎn)的規(guī)定[3]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)，說(shuō)明手持式電波流速儀的性能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

表1 Pro II SVR 和校準(zhǔn)速度的對(duì)比

3 手持式電波流速儀在實(shí)際水文測(cè)驗(yàn)中的比測(cè)試驗(yàn)

3.1 用流速面積法測(cè)流的試驗(yàn)

在與水流方向垂直的橋上面用尺測(cè)好各測(cè)流垂線的間距，在每條測(cè)流垂線上測(cè)深、測(cè)速，用測(cè)深桿或測(cè)深儀測(cè)深，用手持式電波流速儀測(cè)量水面流速，歷時(shí)選 20 s，測(cè)出的表面水流速度乘 0.85（0.85為水面系數(shù)），即為該垂線的平均水流速度，此平均水流速度與旋槳式流速儀測(cè)出的垂線平均速度相同。同時(shí)也證明中小河流中垂線平均水流速度與該垂線水面流速之比的水面系數(shù)可以采用 0.85（美國(guó)地調(diào)局也采用 0.85 的水面系數(shù)）。岸邊系數(shù)、流量的計(jì)算按 GB50179-93《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》[4]中規(guī)定的流速面積法計(jì)算。

3.2 在明渠供水中與轉(zhuǎn)子式流速儀比測(cè)試驗(yàn)

2009 年 11 月 29 日在廣西合山電廠冷水明渠供水測(cè)流中，用 Pro II SVR 對(duì)冷水明渠進(jìn)行了測(cè)流，在最大水深 1.99 m 處，流量是 11.75 m3/s；接著用LS25-1 型旋槳式流速儀對(duì)冷水明渠進(jìn)行了測(cè)流，此時(shí)最大水深為 1.83 m，測(cè)出的流量是 11.22 m3/s，兩者流量相差 4.7%。

LS25-1 型旋槳式和手持式電波流速儀都經(jīng)過(guò)流速儀檢定水槽校準(zhǔn)過(guò)，所測(cè)數(shù)據(jù)和儀器精度都是符合要求的。電廠冷水明渠是抽水機(jī)供水，當(dāng)時(shí)水量在逐漸減少，水位在下降。2 種儀器測(cè)量的時(shí)間不一樣，水位相差 0.16 m，所以造成流量上 4.7% 的偏差。如果水位一樣，可能偏差要小點(diǎn)。

傳統(tǒng)的旋槳式流速儀在全世界使用有 100 多年的歷史，它的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是不容置疑的。比測(cè)結(jié)果說(shuō)明，在水深 2 m 的渠道下，用手持式電波流速儀測(cè)流和旋槳式流速儀測(cè)流結(jié)果是一樣的，證明了手持式電波流速儀用于水渠測(cè)流，結(jié)果是可信的。

3.3 在水污染事件中與 ADCP 的比測(cè)試驗(yàn)

2012 年 5 月 26 日，廣西百色靖西發(fā)生了華銀鋁礦水污染事件，大量的污水進(jìn)入龐凌河，為了及時(shí)監(jiān)測(cè)水量，百色水文局用走航式 ADCP 在龐凌河上進(jìn)行測(cè)流，并用 Pro II SVR 同時(shí)進(jìn)行測(cè)流，2 種儀器在 3 個(gè)不同的斷面上進(jìn)行測(cè)流，結(jié)果如表 2 所示。

表2 ADCP 與手持式電波流速儀比測(cè)結(jié)果

從表 2 可以看出 2 種儀器測(cè)得的流量和平均流速非常接近，只有最大流速相差較大，原因是 ADCP 實(shí)際測(cè)量結(jié)果中沒(méi)有最大流速，最大流速是從 ADCP斷面圖中人為選出的，不是軟件計(jì)算出來(lái)的；手持式電波流速儀最大流速是歷時(shí)為 20 s 的平均速度，不是瞬時(shí)流速。因此 2 個(gè)最大流速數(shù)據(jù)沒(méi)有可比性。

通過(guò)比測(cè)試驗(yàn)，說(shuō)明用手持式電波流速儀測(cè)流與 ADCP 測(cè)流，結(jié)果是一樣的。

4 結(jié)語(yǔ)

Pro II SVR 手持式電波流速儀通過(guò)流速儀檢定水槽的校準(zhǔn)，在實(shí)際的中小河流野外巡測(cè)工作中，與傳統(tǒng)的旋槳式流速儀、ADCP 進(jìn)行比測(cè)試驗(yàn)，測(cè)流結(jié)果是一致，證明用手持電波流速儀直接測(cè)流，精度是滿足要求的。

水文工作者習(xí)慣用電波流速儀測(cè)量表面流速，用相關(guān)性求出流量，由于在使用上受風(fēng)的影響大，不同水位下相關(guān)系數(shù)不同，與流速儀比測(cè)誤差偏大等，所以電波流速儀的使用受到影響。關(guān)于介紹電波流速儀在水文上應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[5]的文章，都是介紹測(cè)表面流速的試驗(yàn)。手持式電波流速儀在流速儀檢定水槽的校準(zhǔn)和用流速面積法測(cè)流量的試驗(yàn)，是第 1 次嘗試。本文的意義在于為今后在中小河流巡測(cè)中廣泛使用手持電波流速儀提供理論和技術(shù)上的證明。

在試驗(yàn)工作中，發(fā)現(xiàn)河流上的順風(fēng)和逆風(fēng)、手持儀器的抖動(dòng)對(duì)手持式電波流速儀測(cè)驗(yàn)精度有影響。為了減小外因?qū)y(cè)流精度的影響，可以縮短雷達(dá)槍到水面的測(cè)量距離，減小風(fēng)對(duì)儀器的影響；用三角架固定儀器測(cè)量，減小手持抖動(dòng)的影響。只要注意這點(diǎn)，用 Pro II SVR 手持式電波流速儀在中小河流巡回測(cè)流完全符合要求；但對(duì)于水深超過(guò) 5 m 的大河測(cè)流，測(cè)流精度是否仍滿足要求，目前還沒(méi)有比測(cè)過(guò)，有待今后進(jìn)一步的完善。

[1] 北京美科公司. 斯德克 Pro II SVR 手持電波流速儀[M].北京：美國(guó) ACI 公司，2008: 2-3.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 11826-2002 轉(zhuǎn)子式流速儀[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003: 4-6.

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 21699-2008 直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定-校準(zhǔn)方法[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008: 6.

[4] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國(guó)建設(shè)部. GB50179-93 河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1993: 29-33.

[5] 李云中，宋海松，趙俊林，等. 電波流速儀在明渠截流水文監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 人民長(zhǎng)江，2003 (增刊 1): 25-26.