雷达波流速仪在我省中小河流流量测验中的应用

◎庞 雷

◆作者系陕西省水文水资源勘测局总工程师

目前，我省河流的流量测验，基本上是采用修建过河水文缆道，用转子式流速仪，测得实测流速和水深，再通过流速面积法将流速转换为流量；高水采用水面浮标法测得水面流速，再借用断面面积转换为流量。采用以上方法测流必须征地，进行缆道建设，盖观测房，接高、低压电，且使用人工测流，工作量大，不能实现在线自动测流，投资较大。随着中小河流的建设，我省将在156条河流上新建74处水文站，90处水位站，并将开展洪水预警预报工作，工作量增加不止一倍以上，而人员没有增加。中小河流水文非工程项目的建设，主要解决的是为防汛服务，提前预警预报，保护人民生命财产安全，为政府部门提供防汛决策依据。随着科技的迅猛发展以及中小河流非工程项目建设的要求，为减少洪水对国家和人民生命财产造成的损失，这就要求必须采用先进的测验仪器，在最短的时间内，用最少的人力能够测得准、报得出。雷达波流速仪的应用使得流量测验可以满足以上要求。

1 雷达波流速仪介绍

雷达波流速仪测流现已写入河流流量测验规范。现国际、国内应用的雷达波流速仪有以下几种形式。

1.1 固定单、多探头雷达波流速仪测流系统（如图 1）

图1 固定单、多探头雷达波流速仪

此测流系统适用于断面基本稳定，有较好的水位流量关系或断面上游有桥的测站。

该测流系统由单个或多个雷达波测流探头用电缆线相连，布设在测验河道断面一点（能代表断面平均流速处）或多点，由太阳能电池、RTU（数据信号处理器）、防雷设备等，通过有线或无线传输将测得的水面流速传到测站和分中心，测站和分中心将提前测得的断面和水位资料通过专门提供的计算软件计算为断面流量。

1.2 移动式雷达波流速仪测流系统（如图2）

此测流系统适用于测站已建有缆道，利用现有缆道设备，以非接触方式，测量河流断面每条垂线水面流速，以有线或无线的方式传回测站或分中心，根据断面和水位资料，通过配套测流软件，计算出流量。

图2 移动式雷达波流速仪

1.3 无线遥控雷达波流速仪测流系统（如图3）

图3 无线遥控雷达波流速仪

此测流系统适用于测流断面变化较大，又没有现成的水文缆道，测流断面上游又没有桥梁的河流。

无线遥控雷达波流速仪测流系统是将雷达波流速仪固定悬挂在配套直径4.2mm的简易钢丝绳缆道上，利用无线遥控、配套定位和测流软件，通过在电脑上远程操作，以非接触方式进行测验和计算水面流速、断面流量。

1.4 手持雷达波流速仪（如图4）

图4 手持雷达波流速仪

此测流方式适用于断面较窄，有桥，桥距水面较低的河道。

测流方式同上，但此方式实现不了自动在线和远传的功能。

2 雷达波流速仪和传统测流的优缺点

2.1 优点

2.1.1 投资小

对新设站，不需征地、不需解决供电、盖房等。

2.1.2 安全可靠

仪器以非接触方式进行测验，无需人员在水中和雨中操作。

2.1.3 可实现在线测流

可实现水面流速数据的自动采集、存储和远传，结合配套软件、水位、断面资料自动生成断面流量。

2.1.4 测得水面流速精度较高

雷达波流速仪每秒可采集4组测点水面流速信号，如设定该测点测速历时为20s，该测点在20s内可测得80组流速信号，测流软件会自动去除10%的最大、最小数据，其余数据进行平均，可消除波浪等不利影响，提高测验精度。

2.1.5 测速范围宽

测速范伟达0.2m/s～18m/s。

2.1.6 维修方便

雷达波流速仪体积小，携带方便，太阳能电池可应用5年。

2.2 缺点

2.2.1 需进行比测

由于雷达波流速仪测得的是水面流速，必须进行比测实验，以确定该河流水面流速与断面平均流速的关系。

2.2.2 需增加断面测量次数

由于雷达波流速仪测得的是水面流速，没有实测水深，断面资料是借用，因此，为了保证资料精度，必须增加断面测量次数。

3 雷达波流速仪在我省升仙村站的比测分析

3.1 升仙村水文站基本情况

升仙村水文站控制流域面积2143km2，距河口距离24km，是湑水河上的控制站。该站测验断面河宽176m，中泓位置大致在60m～80m，河道断面基本稳定。

表1 雷达波流速仪与实测流量误差分析计算表

该站在原断面建有流量测验缆道一套，为1980年修建电动缆道，流量测验采用过坝（湑惠渠大坝）流量与坝上水位率定的水位流量关系推算。2011年，升仙村水文站进行测验设施改造，引进了先进的雷达水位计和雷达流量计，根据测站所处的地理位置、地质情况，以及河道特性、水流条件、水位变幅、岸坡形式等，选择在主索行车架上建设安装测流支架，配备高频雷达流量计测流系统，并固定起点距60m处进行测流。

3.2 升仙村站雷达波流速仪对比分析

2012年7月2日～9日升仙村水文站连续出现两次洪水过程，第一次为2日～5日，最大流量为817m3/s；第二次为7日～10日，该站出现了最大流量917m3//s的洪水过程。开展了雷达流量计测流与过坝流量的对比观测，每3分钟取得一个流速数据，每6分钟计算一次流量，共计46次对比试验数据见表1。

3.3 流量系数的确定

按照表1中的数据，将雷达流量计实测虚流量与对应的过坝流量进行相关分析计算，相关关系见图5。经计算其相关系数为0.9975，回归方程为：

式中：Q坝——为过坝流量（m3/s）；

Q虚——为雷达流量计实测虚流量（m3/s）。

K——为流量系数，固定一点法时为表面流代表流速与断面平均流速换算系数。

经过相关计算，确定固定位置表面流代表流速与断面平均流速换算系数K=0.782。

3.4 误差分析

从表1中可以看出，最大相对误差在10.3%，75%的比测测次误差在5%左右，95%的测次误差在8%左右，系统误差（累计频率为50%）为0.34%。根据中华人民共和国《河流流量测验规范》(GB50179-93)，二类精度测站水文缆道法测流比测允许误差规定为系统误差不超过-2%～1%，中低水位的随机不确定度（置信水平为95%）不超过7%～10%；均匀浮标法单次流量测验允许误差为11%。按此规定标准，升仙村站雷达流量计测验误差基本达到水文缆道测流允许误差，达到均匀浮标法流量测验误差标准。

图5 雷达波流量计实测虚流量与过坝流量相关图

4 影响雷达波流速仪测流的因素和解决方法

4.1 风向风速的影响和解决方法

雷达波流速仪测量水面流速时，仪器本身测得的数据没有问题，但水面如果受风的影响，顺风水面流速会偏大，逆风水面流速会偏小。这就要求在成果资料整理上，观测风向、风速，进行处理。

4.2 测流角度的影响和解决方法

由于雷达波流速仪发射的是雷达波，探头俯角越大，与水面接触面越小，回波信号越弱。正常情况下建议探头俯角为40°~45°。

4.3 测流历时的影响

由于流速越大每秒测得的数据越多，流速越小，测得的数据越少。建议在低流速时，应增长测速历时，大于60s。

4.4 仪器高度的影响

由于电池功率和发射功率的原因，距离越近，回波信号越强，距离越远回波信号越弱。建议正常情况下仪器高度不能超过30m，低流速时探头越低越好。

5 结语

雷达波流速仪的引进和应用，解决了传统水文缆道使用转子式流速仪和ADCP在高流速、波浪大无法入水，有漂浮物和水草缠绕仪器不能测验、不安全等问题。此测流系统采用非接触测流，安全可靠、投资少、经济适用、施工和安装简便，尤其是可以实现在线自动测流，通过无线等方式将测流结果发回测站和分中心，在最短时间内能够测得准、报得出，为防汛决策提供可靠依据，可以成为中小河流流量测验的主要仪器。