豐亞麗

（遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124000）

0 前言

目前我國測報(bào)一體化主要取決于流量、泥沙的自動(dòng)測報(bào)。近十年，雨量、水位、蒸發(fā)、墑情自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)已日趨成熟，就遼寧省而言，當(dāng)前，雨量站、水位站已完全實(shí)現(xiàn)遙測，而流量、泥沙自動(dòng)監(jiān)測站卻寥寥無幾［1]。目前流量測驗(yàn)仍以傳統(tǒng)的流量測驗(yàn)方法作為主要的測驗(yàn)手段。如流速儀法［2]、浮標(biāo)法［3]（中泓漂浮物）及比降面積法［4]。高洪流量測驗(yàn)對(duì)防汛決策意義重大，尤其是高洪流量對(duì)水利、交通以及防洪工程的影響均較高，因此進(jìn)行高洪應(yīng)急測驗(yàn)方式的研究十分重要。但洪峰流量較大時(shí)，河流流速較大，水深較高，河流水位上漲下落速率較快，洪水?dāng)y帶大量的泥沙和漂浮物使得水文測驗(yàn)難度較大，流量測驗(yàn)的安全系數(shù)較低［5]。在常規(guī)測流方式中，流速儀以及ADCP 法測驗(yàn)精度較好，但是測流儀器都需要和水面進(jìn)行接觸，受到高洪水影響安全性難以得到有效保證。比降面積法和中泓浮標(biāo)法的操作原理較為方便，且安全性能較好，但是測驗(yàn)精度很難得到保證［6]。電波流速儀通過對(duì)水流表面的流速進(jìn)行測定，建立表面流速和斷面平均流速之間的相關(guān)性，來對(duì)斷面流量進(jìn)行推求。近些年來在一些地區(qū)河流應(yīng)急監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用［7-12]，通過比測分析，電波流速儀在高洪應(yīng)急監(jiān)測的精度可滿足測驗(yàn)基本要求。近些年來，電波流速儀已逐步在遼東地區(qū)得到應(yīng)用，但在中小河流高洪應(yīng)急監(jiān)測中應(yīng)用還較少，而當(dāng)前中小河流已成為防汛關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，其高洪水的及時(shí)監(jiān)測，可為中小河流防汛決策提供重要的數(shù)據(jù)支撐。為此本文以遼東地區(qū)某中小河流測站為實(shí)例，探討電波流速儀在中小河流高洪監(jiān)測的精度。

1 電波流速儀測定原理

電波流速儀是利用雷達(dá)多普勒效應(yīng)來測定水流的流速，對(duì)雷達(dá)波反射距離和雷達(dá)接收參數(shù)進(jìn)行定量分析。雷達(dá)發(fā)射和天線增益功率分別為Pt和Gt，目標(biāo)距離天線R距離的功率密度ρ1的計(jì)算方程為：

電磁照射將使得目標(biāo)返回散射波，假定目標(biāo)散射面積為σ，并假定接收的輻射功率能夠使得散射目標(biāo)損耗最低，則反射的功率目標(biāo)值Ps計(jì)算方程為：

每個(gè)目標(biāo)散射單位面積為σ0，雷達(dá)波及反射角度的分辨率分別為ΔR和Δθ，河流按照距離和單位劃分的面積需要滿足的條件為：

假設(shè)PS均勻輻射，則在接收天線處收到的回波功率密度P2為：

為保證雷達(dá)發(fā)射波距離目標(biāo)較近，回波接收雷達(dá)功率Pr需要符合檢測信號(hào)功率Smin的最低值，即為雷達(dá)波反射距離的最大值Rmax需要滿足的條件為：

實(shí)際探測中，難以準(zhǔn)確預(yù)測目標(biāo)的有效反射面積、系統(tǒng)損耗等參數(shù)，因此雷達(dá)方程常用來作為一個(gè)估算雷達(dá)性能的公式。

2 電波流速儀的主要特點(diǎn)和操作步驟

2.1 主要特點(diǎn)

電波流速主要特點(diǎn)為：①總重1.3 kg，水文測驗(yàn)人員可獨(dú)立進(jìn)行流量測定工作。②耗電少，內(nèi)置電池可持續(xù)工作5 h，沒有任何操作情況下每隔5 min 電波流速儀自動(dòng)關(guān)機(jī)。③可對(duì)仰俯角通過內(nèi)置的傾斜傳感器進(jìn)行自動(dòng)改正，水平改正角則通過人工進(jìn)行修正。④在天氣較為惡劣情況下可正常使用。

2.2 操作步驟

電波流速儀通過測定表面流速，建立表面流速和斷面平均流速的關(guān)系，來對(duì)斷面流量進(jìn)行推求，水流表面的漂浮物和水流波動(dòng)都能使得電波流速儀的測流精度產(chǎn)生一定程度的影響，因此在具體使用時(shí)，開機(jī)后立即進(jìn)行流速的測定，起始時(shí)間為10 s，每間隔5 s 進(jìn)行下一次流速的測定，1 min 后流速測定過程結(jié)束，對(duì)測定的流速進(jìn)行時(shí)段平均值的計(jì)算。

當(dāng)測驗(yàn)河段有橋面，則電波流速儀可以安裝橋梁上，將電波流速儀對(duì)準(zhǔn)水流，并平行于水流方向，按MENU 鍵，選擇COS項(xiàng)，將水平改正角度置為0°；選擇U 項(xiàng)，將流速單位改為EUR（m/s）。按MODE 鍵，將顯示分辨率設(shè)置成100 ths，傾斜雷達(dá)槍，俯角不要超過60°，且使雷達(dá)槍保持在恒定的俯角位置，面向水流或順著水流測量水面流速。

3 對(duì)比觀測流量測驗(yàn)的精度評(píng)定方法及誤差標(biāo)準(zhǔn)

按照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）相關(guān)要求，按照以下方程對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)差的流量分量進(jìn)行估算：

式中：SY表示為相對(duì)流量分量標(biāo)準(zhǔn)差，%；表示不同流量分量的均值；Yi表示第i個(gè)流量分量的測驗(yàn)值。

在此基礎(chǔ)上結(jié)合不確定度來分析流量測驗(yàn)精度，在不同水位級(jí)別下對(duì)總不確定度進(jìn)行估算，各獨(dú)立流量分量的隨機(jī)不確定度按照95%置信水平進(jìn)行估算：①當(dāng)對(duì)比分析的樣本數(shù)據(jù)系列高于30 的情況下，隨機(jī)不確定度為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的2 倍；②當(dāng)對(duì)比分析的樣本數(shù)據(jù)系列小于30 的情況下，按照T 檢驗(yàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差和檢驗(yàn)值進(jìn)行相乘得到綜合不確定度。

表1 不同水平對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)值

結(jié)合儀器出廠時(shí)率定的指標(biāo)對(duì)其不確定度進(jìn)行分析，當(dāng)流量剖分成相互獨(dú)立的分量后，對(duì)總隨機(jī)不確定度進(jìn)行分析：

4 對(duì)比觀測分析

4.1 站點(diǎn)概況

本文以遼寧某中小河流站為實(shí)例，水文測站以上的流域面積為854 km2，屬于三類測驗(yàn)精度站，測驗(yàn)河段主河道水流向左偏轉(zhuǎn)，高洪期間流速大，河道平均比降較大，在測驗(yàn)斷面下游的300 m 處有一個(gè)急灣，左岸和右岸分別為砂土緩坡和砂石陡坡，沙卵石為其河床主要組成，河段斷面沖淤變化較為穩(wěn)定。

4.2 流速系數(shù)分析

雷達(dá)槍測速的穩(wěn)定性，需要同流速儀進(jìn)行比測檢驗(yàn)。通過多條測速垂線上雷達(dá)槍與流速儀比測試驗(yàn)，檢驗(yàn)雷達(dá)槍測得表面流速沿?cái)嗝鏅M向分布與流速儀是否一致，檢驗(yàn)雷達(dá)槍表面流速與流速儀垂線平均流速兩者相關(guān)關(guān)系。理論上，兩者流速應(yīng)存在固定的比值關(guān)系（即水面流速系數(shù)），但實(shí)際上多次實(shí)驗(yàn)總是存在著測驗(yàn)誤差，致使各次比值大小不一。比值變化范圍越小，兩種儀器測速擬合度越高，也就是說明雷達(dá)槍測速的穩(wěn)定性越好。眾所周知，斷面面積相同的情況下，雷達(dá)槍與流速儀測得的流量主要取決于相應(yīng)的流速。所以水面流速系數(shù)可以作為判斷雷達(dá)槍穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。系數(shù)的取值直接影響流量定線精度。這里引用二類站單一曲線法定線精度指標(biāo)作為控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)雷達(dá)槍水面流速系數(shù)置信水平95%的隨機(jī)不確定度不大于10%，則認(rèn)為雷達(dá)槍測速穩(wěn)定可靠，滿足流量定線精度，可以使用。對(duì)研究站點(diǎn)進(jìn)行6 個(gè)測次的電波流速儀與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀流速系數(shù)的對(duì)比分析，見表2 和表3。

表2 電波流速儀與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀流速系數(shù)對(duì)比（測次1～測次3）

表3 電波流速儀與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀流速系數(shù)對(duì)比（測次4～測次6）

通過對(duì)研究站點(diǎn)6 個(gè)測次下電波流速儀和轉(zhuǎn)子流速儀的流速系數(shù)對(duì)比結(jié)果可看出，得出采用電波流速儀下綜合水面流速系數(shù)為0.84，綜合不確定度為2.2%。滿足河流高洪應(yīng)急測驗(yàn)的規(guī)范要求，即當(dāng)電波流速儀水面流速系數(shù)置信水平為95%的隨機(jī)不確定度不大于10%，則認(rèn)為雷達(dá)槍測速穩(wěn)定可靠，滿足流量定線精度，可以使用。在具體使用電波流速儀進(jìn)行高洪應(yīng)急監(jiān)測時(shí)，按MENU 鍵，選擇COS 項(xiàng)，將水平改正角度置為0°；選擇U 項(xiàng)，將流速單位改為EUR（m/s）。按MODE 鍵，將顯示分辨率設(shè)置成100 ths，傾斜雷達(dá)槍，俯角不要超過60°，且使雷達(dá)槍保持在恒定的俯角位置，面向水流或順著水流測量水面流速。

4.3 測驗(yàn)精度對(duì)比分析

結(jié)合測定的綜合流速系數(shù)對(duì)比分析了電波流速儀和傳統(tǒng)流速下的流量測定精度，結(jié)果見表4。

表4 電波流速儀和傳統(tǒng)流速儀的流量測定對(duì)比結(jié)果

結(jié)合對(duì)水文測站的觀測試驗(yàn)分析，電波流速儀在高洪應(yīng)急測驗(yàn)上具有一定的精度，若操作和使用較為準(zhǔn)確，電波流速儀測定精度可有效滿足高洪應(yīng)急監(jiān)測的需求。但是，外部環(huán)境情況也可能導(dǎo)致不同的情境出現(xiàn)，從而導(dǎo)致顯示錯(cuò)誤的速率。例如，目標(biāo)處于工作范圍外；工作范圍內(nèi)有干擾信號(hào)等。電機(jī)產(chǎn)生的EMI 干擾，無線電頻率干擾，其它電子設(shè)備干擾，會(huì)使得測驗(yàn)產(chǎn)生一定的誤差，當(dāng)流速處于0.2 m/s～0.5 m/s 之間，惡劣天氣影響程度較高。因此電波流速儀在高洪應(yīng)用的效果較好，此外由于電波流速儀不能對(duì)水深進(jìn)行測定，因此需結(jié)合斷面測量數(shù)據(jù)對(duì)流量進(jìn)行分析，由于其對(duì)斷面變化要求較高，在具體應(yīng)用中，應(yīng)盡量選擇順直的測驗(yàn)河段，降低環(huán)境影響，

5 分析結(jié)論

（1）通過測站對(duì)比試驗(yàn)分析，電波流速儀可以應(yīng)用在中小河流高洪流量應(yīng)急測驗(yàn)上，由于電波流速儀不能對(duì)水深進(jìn)行測定，因此需結(jié)合斷面測量數(shù)據(jù)對(duì)流量進(jìn)行分析，由于其對(duì)斷面變化要求較高，在具體應(yīng)用中，應(yīng)盡量選擇順直的測驗(yàn)河段，降低環(huán)境影響。

（2）高洪應(yīng)急測驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使電波流速儀的指向平行于河流水向，調(diào)整電波流速儀的俯角小于60°并對(duì)水平角度進(jìn)行改正，從而保證電波流速的高洪應(yīng)急測驗(yàn)精度。