張 琦

(吉林省水文水資源局延邊分局，吉林 延吉 133000)

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雷達(dá)波流速儀在中小河流流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用分析

張 琦

(吉林省水文水資源局延邊分局，吉林 延吉 133000)

在對(duì)中小河流流量進(jìn)行測(cè)試時(shí)，一般采用轉(zhuǎn)子式流速儀和浮標(biāo)法測(cè)流，但當(dāng)遇到洪水或河流中有漂浮物時(shí)，就不能使用上述方法，需要使用雷達(dá)波流速儀。筆者主要對(duì)雷達(dá)波流速儀測(cè)中小河流流量的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)及影響因素進(jìn)行分析。

雷達(dá)波流速儀；中小河流流量；流量測(cè)試

吉林省在對(duì)河流流量進(jìn)行測(cè)試時(shí)，一般采用轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)試河流的流速和水深，采用水面浮標(biāo)法對(duì)高水位的流速進(jìn)行測(cè)試，再借用斷面面積轉(zhuǎn)化成流量。利用上述兩種方法進(jìn)行河流流量測(cè)試時(shí)，往往需要修建纜道，蓋房觀測(cè)，牽高、低壓電，整個(gè)過程人工完成，工作量較大，投資也較大，無法實(shí)現(xiàn)在線觀測(cè)。吉林省是水資源比較發(fā)達(dá)的省份，做好洪水預(yù)警工作非常重要。近年來，隨著水利工程的不斷發(fā)展，洪水預(yù)警工作量增加了1倍以上，但是工作人員的數(shù)量卻沒有增加，因此需要加強(qiáng)中小河流的水文測(cè)試，對(duì)流量的變化進(jìn)行及時(shí)有效的觀測(cè)，做好防汛工作，提前做出警報(bào)，這樣才能保護(hù)人民的財(cái)產(chǎn)安全，減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。應(yīng)改進(jìn)中小河流的流量測(cè)試手段，實(shí)現(xiàn)用時(shí)短、用人少的在線觀測(cè)，而雷達(dá)波流速儀能夠滿足這些要求，值得廣泛應(yīng)用。

1 雷達(dá)波流速儀概述

1.1 無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流系統(tǒng)

雷達(dá)波流速儀在進(jìn)行中小河流流量測(cè)試時(shí)，主要應(yīng)用無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)，按照水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) GB50179-93《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。在具體的河流流量測(cè)試過程中，使用無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流系統(tǒng)，將雷達(dá)波流速儀固定在直徑4.2 mm的簡(jiǎn)易鋼絲繩纜道上，利用無線遙控、配套系統(tǒng)及測(cè)流軟件進(jìn)行流速測(cè)試，整個(gè)過程通過電腦實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，并進(jìn)行睡眠流速、斷面流量的測(cè)試。

1.1.2 設(shè)備組成

無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流系統(tǒng)主要分為三部分：第一，測(cè)試?yán)|道。在河道測(cè)試斷面架設(shè)測(cè)試儀器和4.2 mm的不銹鋼或鍍鋅高低簡(jiǎn)易纜道，高纜道主要測(cè)試高洪流量，低纜道主要測(cè)試日常流量。第二，雷達(dá)波定位測(cè)驗(yàn)流速儀。該測(cè)試儀器由多普勒雷達(dá)波測(cè)速傳感器、步進(jìn)電機(jī)及高性能電腦控制芯片、PLC、無線信號(hào)和鋰電池組成。第三，無線遙控?cái)?shù)字化處理器。主要由電腦、無線遙控及測(cè)流軟件等組成。

1.1.3 基本特點(diǎn)

無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流系統(tǒng)主要是對(duì)比較大的洪水流量進(jìn)行測(cè)試，即使是高流速、有水浪及漂浮物的情況下，也可進(jìn)行流量測(cè)試。在測(cè)試過程中，主要表現(xiàn)為以下特點(diǎn)：第一，安全可靠。該系統(tǒng)采用非接觸式的方式進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)過程十分安全。雷達(dá)測(cè)試儀也比較輕便、小巧，一個(gè)工作人員就能操作，安裝結(jié)束后短時(shí)間內(nèi)就能獲得測(cè)試數(shù)據(jù)。雷達(dá)波流速儀方便攜帶，不需要現(xiàn)場(chǎng)接線就能安裝，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的測(cè)速，能對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化處理。第二，測(cè)試精度高。雷達(dá)波測(cè)速儀的工作速度是60 m/min，如果垂直水面的流速是1 m/s，那么采集流速的速度是4次/s。如果測(cè)試過程中的斷面不發(fā)生變化，水面流速的測(cè)試重復(fù)率不會(huì)超過0.03 m/s，100 m的河面可以在幾分鐘內(nèi)完成測(cè)速，因此該設(shè)備可應(yīng)用于洪水發(fā)生時(shí)的流速測(cè)試。該設(shè)備內(nèi)部可以自動(dòng)進(jìn)行降雨模式檢測(cè)，以鋰電池作為電源，在遇到暴雨天氣時(shí)，可以連續(xù)工作5 h以上。整個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集過程都是自動(dòng)化完成，測(cè)驗(yàn)后就可直接計(jì)算流量，自動(dòng)化程度很高，通過計(jì)算機(jī)對(duì)水位、斷面情況進(jìn)行處理，并將采集的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，不需要再進(jìn)行人工處理。

1.2 纜道雷達(dá)波測(cè)流設(shè)備

纜道雷達(dá)波測(cè)流設(shè)備是使用多普勒雷達(dá)測(cè)速傳感器，采用非接觸的方式對(duì)水面流速進(jìn)行測(cè)試，可以對(duì)每條垂線水面流速進(jìn)行測(cè)試，并使用配套測(cè)流軟件，直接反映斷面的流量。該設(shè)備可以取代浮標(biāo)法測(cè)流速，能夠進(jìn)行常規(guī)、高速、低速的測(cè)流，尤其是高速且存在大量懸浮物的時(shí)候，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的測(cè)試。該設(shè)備中的蓄電池能夠?qū)崿F(xiàn)免維護(hù)運(yùn)行，但是在使用過程中，需要有配套帶拉偏索的絞車?yán)|道。

1.3 手持雷測(cè)速儀

通過梳理現(xiàn)有的主要研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)文獻(xiàn)的研究都限于探討金融發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響，或是針對(duì)金融發(fā)展、人力資本及經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)三者之間的線性關(guān)系研究，而將人力資本作為金融發(fā)展影響經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的門檻因素的文獻(xiàn)確實(shí)鳳毛麟角。因此，本文利用Hasen(1999)提出的非線性回歸技術(shù)——門檻回歸模型，以西部12個(gè)省(區(qū)市)為研究對(duì)象，采用2003—2016年的省級(jí)面板數(shù)據(jù)，將人力資本作為門檻變量，建立面板門檻回歸模型，研究西部地區(qū)人力資本在金融發(fā)展影響經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中的中介作用。

目前，手持雷測(cè)速儀采用流速儀種類較多，比如電波流速儀、手持雷達(dá)槍等，在使用過程回波較強(qiáng)，能夠自動(dòng)形成降雨模式，主要用于橋測(cè)、有吊箱的纜道及斷面河道測(cè)量。在測(cè)量過程中，手不能抖，要把握好測(cè)試的角度。

1.4 雷達(dá)波流速儀

1.4.1 優(yōu)點(diǎn)

雷達(dá)波流速儀在中小河流流速測(cè)試中，突出表現(xiàn)為以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

第一，流速測(cè)試過程中，流速越快，測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。因?yàn)槎嗥绽绽走_(dá)波測(cè)速傳感器是根據(jù)河流特點(diǎn)來進(jìn)行測(cè)試的，在100 m內(nèi)會(huì)測(cè)試4次流速，且有自動(dòng)降雨功能。第二，測(cè)試過程中，雷達(dá)波測(cè)試儀距離河流越近，捕捉的信號(hào)就越強(qiáng)，回波的信號(hào)就越好。一般在2 m的距離上能夠測(cè)定0.2 m/s的流速。第三，雷達(dá)波測(cè)速儀俯角越大，與水面之間的接觸面就越小，回波信號(hào)就越弱。而俯角較小，水面接觸面大，回波的信號(hào)就越強(qiáng)。第四，雷達(dá)波在測(cè)試過程中，流速越大，測(cè)得的數(shù)據(jù)越多，測(cè)得的數(shù)據(jù)就越準(zhǔn)確。

1.4.2 缺點(diǎn)

第一，需要進(jìn)行比測(cè)。由于雷達(dá)波測(cè)速儀是對(duì)中小河流的水面進(jìn)行流速測(cè)試，因此需要進(jìn)行比測(cè)實(shí)驗(yàn)，這樣才能準(zhǔn)確把握河流流速和斷面平均流速之間的關(guān)系。第二，需要增加斷面測(cè)試次數(shù)。雷達(dá)波測(cè)速儀主要是對(duì)水面流速進(jìn)行測(cè)試，沒有進(jìn)行水深測(cè)試，斷面資料一般是借用的，因此必須增加斷面的測(cè)試次數(shù)。

2 影響雷達(dá)波流速儀測(cè)量中小河流流量的因素

2.1 風(fēng)速的影響

雷達(dá)波在測(cè)試中小河流的水面流量時(shí)，測(cè)試結(jié)果與風(fēng)速之間存在著一定的關(guān)系，順風(fēng)會(huì)使測(cè)試的結(jié)果偏大，而逆風(fēng)會(huì)使測(cè)試結(jié)果偏小。當(dāng)流速較大時(shí)，風(fēng)速對(duì)河流水面流速的影響較小，流速較小時(shí)，風(fēng)速對(duì)河流水面流速的影響較大。為避免風(fēng)速對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，需要引入浮標(biāo)測(cè)試法，對(duì)風(fēng)力、風(fēng)向進(jìn)行測(cè)試。

2.2 測(cè)試角度的影響

雷達(dá)波在進(jìn)行流量測(cè)試時(shí)，會(huì)受測(cè)量角度的影響，尤其是中到暴雨時(shí)，會(huì)對(duì)流速的測(cè)試產(chǎn)生較大的影響。雖然在測(cè)試過程中使用了多普雷雷達(dá)測(cè)速傳感器和自動(dòng)轉(zhuǎn)換降雨模式，但是在具體的測(cè)流過程中，還需要將測(cè)試俯角調(diào)成最小的60°。對(duì)于流速比較低的河面，應(yīng)增加雷達(dá)波和水面的接觸面，將測(cè)試俯角調(diào)成30°。

2.3 測(cè)流歷時(shí)的影響

在測(cè)試過程中，流速越大，每秒中測(cè)得的數(shù)據(jù)就越多，流速越小，獲得的數(shù)據(jù)就越少。因此，在高流速時(shí)可以適當(dāng)縮短測(cè)試時(shí)間，而低流速時(shí)，就需要增加測(cè)試的時(shí)間。

2.4 儀器高度的影響

雷達(dá)波測(cè)速儀在進(jìn)行中小河流流量測(cè)試的過程中，由于受到電池功率和發(fā)射功率的影響，測(cè)試距離越近，回波的信號(hào)就越強(qiáng)，而測(cè)試距離越遠(yuǎn)，測(cè)試信號(hào)就越弱。在正常的測(cè)試過程中，流速儀的高度不應(yīng)超過30 m，在進(jìn)行低流速測(cè)試時(shí)，儀器高度越低越好。

3 結(jié)語

將雷達(dá)波測(cè)速儀引入到中小河流的流量測(cè)試過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)高流速、有懸浮物的測(cè)試，測(cè)試安全，避免了水草等水生植物對(duì)儀器的纏繞，投資少、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲得相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為防洪決策提供依據(jù)。在未來的發(fā)展過程中，雷達(dá)波測(cè)速儀在中小河流流量測(cè)試中的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。

[1] 秦福清.雷達(dá)波流速儀在中小河流流量測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用分析[J].水利信息化，2012，(04)：122-123.

[2] 楊志紅，張春林，王漢卿.雷達(dá)波流速儀流量測(cè)驗(yàn)水面流速系數(shù)分析研究[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2015，(04)：115-116.

[3] 李瓊，周紹文.非接觸式雷達(dá)波實(shí)時(shí)流量在線系統(tǒng)應(yīng)用探討[J].湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，12(1)：108-109.

Application of radar wave current meter in flow test of small and medium rivers

ZHANG Qi

(Yanbian Branch, Hydrology and Water Resources Bureau of Jilin Province, Yanji 133000, China)

When measuring the flow rate of small and medium rivers, the rotor flowmeter and buoy flow measurement are generally used. However, the above method can not be used when the flood is encountered. It is necessary to use the radar wave current meter. The author mainly analyzes the basic principle, advantages and disadvantages and influencing factors of radar wave current meter on small and medium rivers.

Radar wave current meter; Flow of medium and small river; Flow test

2016-09-16

張琦(1986-)，男，助理工程師。

P335

B

1674-8646(2017)02-0047-02