郭 成

（運(yùn)城市水文水資源勘測(cè)分局，山西 運(yùn)城 044000）

1 大廟水文站概況

大廟水文站位于夏縣瑤峰鎮(zhèn)大廟村，屬于黃河流域黃河水系，為白沙河小流域控制站，屬小河站，集水面積55.9km2。主要承擔(dān)水文測(cè)驗(yàn)、水情報(bào)汛、降水量觀測(cè)、墑情測(cè)驗(yàn)等工作任務(wù)。1956年6月設(shè)站，測(cè)驗(yàn)斷面位于白沙河下游南山底，站名為南山底站；1976年5月因修建白沙河水庫(kù)，測(cè)驗(yàn)斷面上遷約2.5km，站名為南山底（二）站；1977年6月上遷3km 至大廟村，站名為大廟水文站。站房于2011年7月改建，采用標(biāo)準(zhǔn)化站房設(shè)計(jì)，建筑面積203.96m2。

測(cè)驗(yàn)河段河道較順直，斷面為寬淺斷面，主槽寬50m，灘寬18m，左岸為土質(zhì)陡岸，大水時(shí)易坍塌，右岸為土質(zhì)臺(tái)地；基上80m 處有一小支流匯入。左岸引水渠2002年1月1日設(shè)立觀測(cè)斷面開(kāi)始觀測(cè)，斷面名為大廟（左渠）。右岸引水渠2002年1月1日設(shè)立觀測(cè)斷面開(kāi)始觀測(cè)，斷面名為大廟（右渠）。

2 流速儀測(cè)流應(yīng)用

電波流速儀是一種水面流速測(cè)試儀器，優(yōu)點(diǎn)是可以不接觸水面進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)流，比旋槳流速儀更加精確穩(wěn)定。旋槳流速儀在測(cè)流過(guò)程中，遇到泥沙、水草等不利因素?zé)o法測(cè)試。所以，在水情復(fù)雜，水流較大，含沙量、水面漂浮物較多以及普通轉(zhuǎn)子式流速儀無(wú)法入水等特殊水情下，優(yōu)先選擇電波流速儀，此外它測(cè)量速度快、精度高，攜帶方便且操作安全。

2010年以來(lái)，上級(jí)單位先后為各測(cè)站、應(yīng)急監(jiān)測(cè)隊(duì)配備了電波流速儀，并在大廟、城市等水文站，用電波流速儀與傳統(tǒng)的LS 25-1 型旋槳流速儀，進(jìn)行了水面流速比測(cè)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多次比測(cè)，各項(xiàng)條件滿足生產(chǎn)需求，電波流速儀的性能及測(cè)速準(zhǔn)確性均在規(guī)范范圍內(nèi)，同時(shí)已在各水文站投放使用。在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題是，部分測(cè)站人員在使用電波流速儀進(jìn)行測(cè)流時(shí)，選擇浮標(biāo)系數(shù)代替電波流速儀系數(shù)，結(jié)果測(cè)流精度受到了影響。為更好地應(yīng)用好電波流速儀，保證測(cè)試精度，通過(guò)比測(cè)試驗(yàn)及理論分析，找到各級(jí)水位下的電波流速儀系數(shù)，避免再使用浮標(biāo)系數(shù)。

3 測(cè)量原理及技術(shù)指標(biāo)

電波流速儀由探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理器和電源三部分組成。電波流速儀的工作原理是，通過(guò)發(fā)射電磁波信號(hào)，利用水面回波，結(jié)合測(cè)算的電磁波基準(zhǔn)信號(hào)的多普勒頻率差，計(jì)算流速信息，然后依據(jù)雷達(dá)多普勒效應(yīng)，利用連續(xù)的雷達(dá)波來(lái)確定回波的相位信息。

測(cè)試時(shí)，通過(guò)雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)，電磁波經(jīng)過(guò)水面反射后被雷達(dá)接收，由于水面流動(dòng)造成電磁波頻率一定的偏移，通過(guò)偏移量和多普勒頻率方程計(jì)算水面流速。測(cè)點(diǎn)水面多普勒流速計(jì)算公式：

式中：fd——多普勒頻率；

f0——發(fā)射頻率；

f1——接收到的回波頻率；

v0.0——水面流速，m/s；

c——電波在空氣中的傳播速度，s；

θ——發(fā)射波與水流方向的夾角，°。

實(shí)際應(yīng)用中，Pro II SVR 手持式電波流速儀測(cè)流指標(biāo)范圍：測(cè)速范圍為0.20～18.00m/s，精度為±0.03 m/s；波束寬度設(shè)置為12°；計(jì)時(shí)范圍為0～99.9 s，計(jì)時(shí)精度0.1 s；微波功率50 MW；工作溫度-30℃～70℃；工作頻率為Ka 波段（34.7 GHz）；最大測(cè)程為100m（4 級(jí)靈敏度可調(diào)）。

4 電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)

4.1 流量比測(cè)方法

大廟水文站電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)，開(kāi)始于2016年，共計(jì)進(jìn)行流量比測(cè)試驗(yàn)12 次，其水位變化范圍為6.94～7.22m，流量變幅為0.100～1.47m3/s。

電波流速儀系數(shù)比測(cè)方法：第一，用LS 25-1 型旋槳流速儀在測(cè)速垂線上0.6 相對(duì)位置，測(cè)驗(yàn)垂線平均流速；在相應(yīng)測(cè)速測(cè)深垂線處，用電波流速儀測(cè)量水面流速，在測(cè)量過(guò)程中適當(dāng)加大測(cè)深測(cè)速垂線密度。第二，分別用LS 25-1 型旋槳流速儀、電波流速儀的測(cè)量成果，計(jì)算斷面流量，以及電波流速儀虛流量。第三，用LS 25-1 型旋槳流速儀所測(cè)斷面流量、電流波速儀所測(cè)得的虛流量，計(jì)算出該次比測(cè)試驗(yàn)的電波流速儀系數(shù)。

式中：Kn——電波流速儀系數(shù)；

Qi——電波流速儀流量，m/s；

Qci——LS 25-1 型旋槳流速儀流量，m/s。

為保證電波流速儀實(shí)驗(yàn)的系數(shù)具有的代表性，需要在不同天氣及不同水情條件下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，比測(cè)成果詳見(jiàn)表1。

表1 2016年大廟水文站電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)成果表

4.2 電波流速儀系數(shù)分析

通過(guò)12 次電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)，由電波流速儀虛流量和計(jì)算斷面流量比得出，最大系數(shù)為0.84，最小為0.53。以LS 25-1 型旋槳流速儀施測(cè)的斷面流量為真值，計(jì)算電波流速儀施測(cè)流量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，和相對(duì)不確定度，并進(jìn)行誤差分析。其中，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差公式為：

式中：Se——相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差；

Qi——電波流速儀流量，m3/s；

Qci——LS 25-1 型旋槳流速儀流量，m3/s。

式中：X′——不確定度；

Se——相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差。

計(jì)算得相對(duì)誤差平均值為1.18%；將表2 數(shù)據(jù)代入公式（4）、（5）計(jì)算得，電波流速儀測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為15.12%，相對(duì)不確定度為30.24%。

表2 2016年大廟水文站電波流速儀測(cè)流誤差計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

電波流速儀矯正系數(shù)計(jì)算公式為：

Ki——電波流速儀單次系數(shù)；

n——系數(shù)總次數(shù)。

經(jīng)電波流速儀比測(cè)試驗(yàn)，將表1 中電波流速儀系數(shù)代入公式（6）計(jì)算得出，大廟水文站電波流速儀矯正系數(shù)為0.66。

5 結(jié)論與建議

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，大廟水文站的電波流速儀矯正系數(shù)為0.66，此系數(shù)不僅可應(yīng)用于本站電波流速儀的測(cè)試，其他水文站的電波流速儀測(cè)流也可作為參考。在電波流速儀使用及其矯正系數(shù)的比測(cè)試驗(yàn)中，總結(jié)了以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

第一，電波流速儀對(duì)工作環(huán)境的溫度要求不能低于0℃，使用的環(huán)境溫度應(yīng)在0℃～45℃之間。

第二，在進(jìn)行測(cè)流實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用俯角進(jìn)行電波流速儀的水流速測(cè)試，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常情況，如測(cè)流不穩(wěn)定，當(dāng)出現(xiàn)這種情況后，調(diào)整俯角角度進(jìn)行更正后繼續(xù)測(cè)量。

第三，測(cè)試過(guò)程中應(yīng)注意水面的流速，如果水面過(guò)于平靜，就會(huì)導(dǎo)致回波非常弱而測(cè)不到流速，在測(cè)流過(guò)程中應(yīng)盡量貼近水面，低流速也會(huì)影響到測(cè)程，只有流速大于1m/s 時(shí)，能使測(cè)程達(dá)50m。水面漂浮物、波浪大可以更好的進(jìn)行測(cè)試，得到的數(shù)據(jù)也會(huì)非常穩(wěn)定，測(cè)程也更大，最大測(cè)程可達(dá)100m。

第四，距水面1m 以內(nèi)時(shí)，可測(cè)到0.10m/s 的流速，甚至更低。在大風(fēng)天使用電波流速儀時(shí)，還應(yīng)考慮風(fēng)的影響；低流速時(shí)，風(fēng)對(duì)水面流速影響明顯。

第五，雨天測(cè)流時(shí)，降水對(duì)測(cè)驗(yàn)準(zhǔn)確度有一定影響，可調(diào)整降雨參數(shù)，強(qiáng)降雨時(shí)，若測(cè)不到流速數(shù)據(jù)，可降低該值，若顯示降雨速度在5m/s 以上時(shí)，則增加該值，同時(shí)加大俯仰角度，同時(shí)采取保護(hù)措施避免雨水濺落到探頭上。

第六，本次比測(cè)的12 場(chǎng)水均為中低水，流速在垂線上的分布極不均勻，率定的電波流速儀系數(shù)偏小。該系數(shù)有待在以后大洪水測(cè)驗(yàn)中不斷調(diào)試。