手持电波流速仪在洪水流量测验中的应用与分析

张忠国，史红波，林 磊

（辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东118000）

1 概 述

铁佛寺水文站位于鸭绿江一级支流爱河中上游，是国家重要水文站。爱河为典型的湿润地区山溪性河流，洪水特性为涨落率大、流速高、漂浮物多。该站在低枯水测流时一般采用涉水施测，中高水时利用过河桥梁采用转子流速仪或水面浮标法测流。该站中高水时由于水面漂浮物多，使用转子式流速仪测流相当困难，目前一般采用水面浮标法和比降面积法抢测洪水过程，测验精度较低，且人员需求较多。而电波流速仪是一种远距离、无接触测流的新型仪器，在测流断面附近有桥梁的河段可以很好地解决上述问题。

下面以电波流速仪与转子式流速仪在铁佛寺水文站同步对比观测资料为依据，分析电波流速仪测得水面流速的误差来源，率定其在测洪过程中的单点流速改正系数，以解决山溪性河流在中高水流量测验中所面临的困难。

2 电波流速仪介绍

2.1 简介

手持式电波流速仪SVR俗称“雷达测速枪”，是美国Decatur电子公司制造的专用于测量水面流速的仪器，主要用于野外巡测和洪水、溃坝、决口、泥石流等应急测量，目前在东北地区正在逐步寻求其在洪水涨落急剧的水文测站进行有效运用。

2.2 工作原理

电波流速仪利用微波多普勒效应，使用时仪器不接触水体，依靠向水面发射微波和接收回波来远距离测量水面流速。要测定水流速度，首先雷达枪传送和引导一个微波能量束（无线电波）与水面形成一个逼近（或后退）角。当该能量束中的能量击中水面时，该束中的少量能量将被反射回雷达枪的天线上。反射信号频率的变化量与水流的速度成比例，然后雷达枪就可以通过传输和反射信号的频率差确定流速，即多普勒效应。

天线传输无线电波后，无线电波束在目标区域形成一个椭圆形。波束的大小取决于天线与目标之间的距离，水平波束宽为12°。目标离天线越远，检测区域越大。

3 偏差来源

电波流速仪测得的是水流表面流速，以目前所获得的资料来看，以同步进行的转子式流速仪测得值为准，单次水面流速测验结果绝大部分存在偏差。因此，在实际应用中需进行不同水位级的流速对比实验分析，进行综合流速改正系数率定。偏差的主要来源如下：

1）测量方法带来的误差。电波流速仪测得的是水面波浪迎波面或水面漂浮物的反射波，波浪和漂浮物的速度不等于水面流速，且水流运动时，受风向风速等影响波浪和漂浮物本身也有运动，影响电波流速仪测量的准确性。转子流速仪测量水面流速一般是水面10 cm以下的流速，从垂线流速分布规律看，与水面漂浮物的流速也存在差别。

2）仪器本身带来的偏差。雷达波束会有12°的波束角，斜向发射到水面上会形成一个长圆形的水面投影，在投影内，任意一处的强反射都可能被电波流速仪确认为测点流速；仪器测速时，要用俯角和水平方位角的余弦进行流速计算，这些角度都是针对声束角中轴线而言的，这些角度的误差也影响测量精度。

3）人为造成的偏差。电波流速仪抢测洪水过程中一般采用手持对准水面观测的方式，仪器抖动，俯角和水平方位角的变化都会影响仪器测量的精度。

4 比测资料的选取

由于铁佛寺水文站有桥测断面，因此该比测试验在桥上进行，这就使得电波流速仪测流的水平角为0°，有比较高的测量精度。比测试验时将电波流速仪和LS25-1型旋桨流速仪在同一条垂线上同时进行测量，这样就确保此次比测可靠性和真实性。

根据对比测流时的实际情况，对那些受风速、雨速等外界干扰因素影响的个别测次，以及发生突变的异常数据进行了分析、处理和剔除。此次比测共选用了铁佛寺水文站中高水不同水位级的电波流速仪和旋桨流速仪同步实测水面流速资料46次，按水文学统计原理将选用的实测资料进行处理、计算，分析旋浆流速仪和电波流速仪所测水面流速间的相关关系，建立两变量之间的关系式，即回归方程，以此来确定电波流速仪在铁佛寺水文站使用时的流速改正系数。

5 电波流速仪流速系数的率定

5.1 相关分析计算

根据水文流速的特性选定直线y=bx进行两者的相关分析计算。由最小二乘法要求残差的平方和RSS最小可知：

又因为

将此次电波流速仪和旋桨流速仪对比观测的46测流资料带入上式中便可求出回归方程。

则通过计算求得出电波流速仪和普通旋桨流速仪的相关方程为y=0.988x，然后点绘电波流速仪和旋浆流速仪水面流速相关关系图，如图1所示。

图1 相关关系图

5.2 回归方程的显著性检验

从求回归方程的过程可以看出，对任何一组观测数据（x1，y1）（x2，y2）…（xn，yn）不管x和y之间是否存在线性相关关系，都可以用最小二乘法求得如上述的线性方程。但是，如果x和y之间根本不存在线性相关关系，那么则这个方程就不能描述x和y之间的真实关系了。因此需要对所求得的回归方程是否有实际意义进行检验。

水文计算中习惯上多选用信度水平α=0.05，根据46次的对比观测资料，查γα表，求得γα=0.284 6。计算求得γ=0.996＞γα，因此可以排除二者是不相关的，即推断两者是相关的，并且两者的相关性还是比较显著的，这种判断失误的可能性仅有5%。上述建立的回归方程是显著的。

5.3 流速系数的确定

通过相关分析，手持式电波流速仪SVR的测速成果与常规流速仪法测验结果均是密切相关的。就该站的对比资料分析结果看，在站中高水洪水测验中，使用手持式电波流速仪SVR测速时各条测速垂线测得结果可直接采用y=0.988x的回归方程确定水面流速。在水文测验中，一般将各类流速系数取值为小数点后两位，因此可认为该站电波流速仪流速改正系数为0.99。该站已分析过的水面流速系数为0.85，则电波流速仪测得结果在该站的流速系数即为0.99×0.85=0.84。在水文资料整编中，在该站“实测流量成果表”中加写说明：“流速系数：电波流速仪流速系数0.84为分析值。”

6 结 语

通过上述分析，在湿润地区山溪性河流的洪水流量测验中，应用手持式电波流速仪SVR测速是可行的。但由于各条河流的水流流态不同、洪水特性不同、测验人为条件不同，使用前（尤其在国家基本水文站进行流量测验时）必须进行流速系数对比试验分析，其改正系数的精度取决于测点的数量和质量。

电波流速仪测速具有测量速度快、自动化程度高、性能可靠、工作稳定的特点，测速时不受水面、水内漂浮物及水质影响，而且流速越快，漂浮物越多，波浪越大，反射信号就越强，流速改正系数越稳定。因此手持电波流速仪很适合高洪时以桥测和巡测方式进行水面流速测量，在有桥梁等过河建筑物的条件下，完全可以取代浮标法应用于中高水流速测验，应用于国家基本水文站的流量测验。

［1］林柞顶.水文现代化与水文新技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［2］朱晓原，张留柱，姚永熙.水文测验实用手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.