劉中利　陳學(xué)虞　陳若楠

摘 要：黃河的安瀾備受歷朝歷代統(tǒng)治者的重視，作為監(jiān)管黃河的主要方式和手段，水文監(jiān)測(cè)的作用極其重要。黃河流域已然建成了覆蓋整個(gè)黃河大部分河流以及區(qū)域、布局非常合理的水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)格體系，為黃河的安全和黃河沿線的穩(wěn)定發(fā)展起到了重要作用。近些年來，電波流速儀在水文監(jiān)測(cè)中的使用越來越多，該文進(jìn)行了電波流速儀的測(cè)量試驗(yàn)，與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比，不受流量計(jì)、含沙量高等影響，特別適合于測(cè)定區(qū)域水流特性，電波流速儀在惡劣的天氣仍能使用。

關(guān)鍵詞：電波流速儀 黃河 水文監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（a）-0140-02

“黃河安寧，天下太平”，黃河的安瀾備受歷朝歷代統(tǒng)治者的重視，作為監(jiān)管黃河的主要方式和手段，水文監(jiān)測(cè)的作用極其重要。水文監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)漸漸的從以人力為主轉(zhuǎn)向以先進(jìn)的設(shè)備為主、數(shù)值化分析；漸漸地從孤立的節(jié)點(diǎn)檢查轉(zhuǎn)向連續(xù)的、智能的在線監(jiān)測(cè)；漸漸地從接觸式轉(zhuǎn)向以高級(jí)的儀器為依托的非接觸式，漸漸地從在水文站駐測(cè)轉(zhuǎn)向駐測(cè)巡測(cè)科學(xué)的結(jié)合。

水流的流量是水文監(jiān)測(cè)的眾多數(shù)據(jù)中最重要的一個(gè)，長(zhǎng)期以來我國(guó)各大水文站都采用懸漿式的流速儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)于水流急、含沙量大、水中不明物質(zhì)多的黃河，傳統(tǒng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器很難下水，浮標(biāo)很難精確地放置，甚至特殊情況下測(cè)試工作人員還會(huì)有危險(xiǎn)。而先進(jìn)的電波流速儀的測(cè)量具有遙控距離遠(yuǎn)、不直接接觸等特點(diǎn)，使用它可以便利地獲取水面的流速，再通過查閱所在區(qū)域的流速系數(shù)，經(jīng)過科學(xué)的計(jì)算，就可得到黃河河流流量的數(shù)據(jù)。這種儀器的測(cè)量不受含沙量、水中雜質(zhì)的影響，操作方便安全、獲取數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單。

1 測(cè)量原理及技術(shù)指標(biāo)

1.1 測(cè)量原理

電波流速儀是利用物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)制成的，當(dāng)波動(dòng)源、電波流速儀、媒質(zhì)之間發(fā)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，儀器釋放的電磁波在不同流速的表面發(fā)生反饋反射，從而導(dǎo)致接收到的電磁波的頻率顯著的改變。在滿足實(shí)驗(yàn)條件下，電磁波只與河流中水流的速度相關(guān)，并且只與河流表面的情況有關(guān)，與水中漂浮物、泥沙等沒有關(guān)系。

采用電波流速儀進(jìn)行測(cè)速使用的時(shí)候，波源與測(cè)量點(diǎn)相對(duì)位置不發(fā)生改變，河流中水流相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這會(huì)引起反射波頻率的變化（電波流速儀只能利用反射波測(cè)數(shù)據(jù)），反饋數(shù)據(jù)的大小與河流中水流的相對(duì)速度聯(lián)系緊密。發(fā)射波的頻率和接收到反饋的頻率的差值，就叫多普勒頻率。

采用的電波流速儀的發(fā)射波發(fā)散在水面上的橢圓區(qū)域，橢圓形區(qū)域的面積與電磁波發(fā)射角等因素相關(guān)，所以說，電波流速儀測(cè)定的流速是整個(gè)橢圓形面積的平均流速，這種方法運(yùn)用的原理與傳統(tǒng)流速儀測(cè)量完全不同，傳統(tǒng)流速儀測(cè)定的結(jié)果反映的是點(diǎn)平均流速。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

黃河水文監(jiān)測(cè)中使用的電波流速儀是美國(guó)德卡托電子公司生產(chǎn)的，其主要技術(shù)指標(biāo)如下。儀器型號(hào)為SVR-VP，測(cè)速范圍為0.2～14 m/s，最大有效測(cè)程為250 m，發(fā)射角為13°，儀器功率為10 MW；電波頻率為26 GHz；使用溫度要求-35 ℃～+60 ℃

2 電波流速儀的黃河水文監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)站概況

高村在東明縣城往北大概6 km的位置，與亞洲第一長(zhǎng)橋毗鄰——長(zhǎng)東黃河鐵路大橋，北邊靠近東明黃河公路大橋，西面臨近黃河大堤，并且與河南省濮陽縣距離很近，是黃河入魯來第一個(gè)黃河水文監(jiān)測(cè)站。全村共有耕地179公頃，3 000人。黃河高村站是非常重要的控制站，測(cè)驗(yàn)黃河下游的河段，地處所測(cè)河段的末端。斷面距河口距離580.1 km，集水面積723 146 km2。水尺斷面每間隔4 m修建測(cè)點(diǎn)。

2.2 比測(cè)目的

從2015年5月開始，為了測(cè)試電波流速儀在黃河的具體性能，最終得出本站電波流速儀的水面修正系數(shù)，將試驗(yàn)到點(diǎn)定在具有規(guī)則的渠道測(cè)驗(yàn)斷面的高村電站渠站進(jìn)行，歷時(shí)三個(gè)月的水位的實(shí)控實(shí)測(cè)，共進(jìn)行電波流速儀測(cè)定水面流速系數(shù)試驗(yàn)資料60次。

2.3 前期工作

電波流速儀測(cè)定的是水流速度的橫向分布，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)從起始點(diǎn)的通道斷面流速出發(fā)，從該站渠道測(cè)橋的起點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)完成測(cè)量任務(wù)。選擇同一垂直渠道，使用特定的測(cè)試方法進(jìn)行電波流速儀測(cè)試，并確保每一次設(shè)定的角度相同，設(shè)定為25°，平均垂直速度以1 min為間隔進(jìn)行記錄，根據(jù)水位具體情況，讀取距起點(diǎn)1.5 m到7.0 m的速度數(shù)據(jù)計(jì)算垂線的平均流速，參考所測(cè)斷面的面積就可以計(jì)算出流量。

2.4 電波流速儀在試驗(yàn)中的方法

在實(shí)際的測(cè)試過程中，該方法是將電波流速儀設(shè)置為沿水程方向，同水道橫截面垂直，順?biāo)鞣较?，水平角度的方向設(shè)置為0°（10°的變化不影響測(cè)量結(jié)果）。在實(shí)驗(yàn)中，除了滿足電波流速儀的角度范圍外，還要考慮電磁流量計(jì)相對(duì)于儀器設(shè)定的相對(duì)位置。為了提高測(cè)量精度，保證電波流速儀在均勻的斷面測(cè)量斷面流速和其他參數(shù)。為了保持速度的均勻，測(cè)量操作員保持電波流速儀測(cè)量垂直速度的角度，因?yàn)殡姴魉賰x與表面高度差這些差異是不同的。這些因素在測(cè)試過程中是不會(huì)考慮，每一個(gè)測(cè)量角度選擇設(shè)置在25°，然后進(jìn)行測(cè)速實(shí)驗(yàn)。

2.5 比測(cè)方法

每次使用電波流速儀測(cè)速度的時(shí)候，電波流速儀用在垂直水流速度方向，保持一定的相對(duì)角度，測(cè)量斷面與流量計(jì)截面重合。從測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下論斷：電波流速儀的測(cè)量結(jié)果和流速儀測(cè)流結(jié)果橫截面上的分布類似。于兩種試驗(yàn)結(jié)果的流量計(jì)算，參考所測(cè)斷面的面積，將電波流速儀進(jìn)行計(jì)算，然后將此虛流量與流速儀所測(cè)的數(shù)值相比（將流速儀流量作為分母）。建立線性關(guān)系，進(jìn)而得出可以滿足測(cè)站實(shí)際情況的相關(guān)系數(shù)。

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

通過隨機(jī)不確定性檢驗(yàn)，比如，符號(hào)檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)等分析方法，電波流速儀的測(cè)量結(jié)果可以很好地滿足水文規(guī)范要求，并且測(cè)的結(jié)果的精度可以達(dá)到一類精度，所以使用電波流速儀的數(shù)據(jù)，參考所測(cè)斷面的面積就可以計(jì)算出流量，并且結(jié)果的精度能符合流量測(cè)驗(yàn)要求。

3 結(jié)語

電波流速儀在對(duì)比試驗(yàn)過程中，與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比，不受流量計(jì)、水情變化、含沙量高和水上浮的影響，特別適合于測(cè)定區(qū)域水流特性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電波流速儀在狂風(fēng)暴雨天氣仍能正常使用，但在試驗(yàn)中，雨雪天氣對(duì)信號(hào)的反映或有一定的影響，我們建議盡量避免這些特殊的天氣，也可以找到天氣因素小于或更少受影響的地方。利用電波流速儀進(jìn)行速度測(cè)試，若保證測(cè)量效果好就必須保證垂直度的相對(duì)穩(wěn)定性、角度應(yīng)大于45°，同一測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間不少于45 s，當(dāng)在同一測(cè)點(diǎn)上測(cè)量3次，取其平均值作為測(cè)點(diǎn)的速度比測(cè)試結(jié)果后對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析。電波流速儀安全方便的操作，測(cè)速快，精度高，流量測(cè)量方法比以前使用的浮標(biāo)更實(shí)用。在水文測(cè)量監(jiān)測(cè)工作中，可以取代常用的方法，以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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