雷达测速仪在四川省青衣江流域水文监测中的应用

王华宇，唐海彦

(四川省雅安市水文水资源勘测局，四川 雅安，625000)

雷达测速仪在四川省青衣江流域水文监测中的应用

王华宇，唐海彦

(四川省雅安市水文水资源勘测局，四川 雅安，625000)

大部分河流高水流量监测中使用的常规浮标流速测量法，由于浮标测流影响因素多，特别是暴雨洪水过程中施测难度大；流速仪测流法受设施安全影响，已不适应我国中高水流量监测的需要；而较为先进的声学多普勒流速剖面仪(ADCP)受流速与水体中杂质影响，导致其在高流速或波浪大时无法入水。目前，雷达测速仪在水文监测中的应用极大地提升了流量测量的效率和精度。本文分析了雷达测速仪在四川省青衣江流域流量监测的可行性，实测数据显示：雷达测速仪测量的流量数据与流速仪同步测量的数据相符，适用于与青衣江类似的流域。

雷达测速 测速仪 水文监测 青衣江流域

1 水文测验方法概况

水文测验是收集流域中各种水文要素变化所开展的工作。其测验对象主要包括雨量、蒸发、水位、流量、泥沙、水化学等，其中流量测验的方法可分为四大类，即面积流速法、水力学法、化学法、物理法。现阶段的流量测验多采用物理法，其中，常使用流速仪法和浮标法，流速仪法多用于中低水位测速，而浮标法多用于中高水位[1]。

流速仪是目前精度较高的方法。在流速仪测量流速时一方面流速超过仪器性能时(高速或低速时)误差会增大，如施测洪峰流量，流量变化较快、测量流速时间过长、测量水位变化较大时均会引入更大的误差；另一方面，在西部山区河流一般比降较大，河流流速相对较大，最大洪峰流速可达8m/s～12m/s，且洪水过程呈尖瘦形、洪峰持续时间较短(持续时间最长为30min左右)，使用流速仪测量流速不易监测到洪峰流量，而且在洪峰时水深流急，漂浮物较多，泥沙含量大，容易导致流速仪被撞击或进沙，影响流速仪灵敏度而无法达到精度要求[2]。

因此，考虑到人员、设备安全和测量效果，在测量4m/s～5m/s以上高流速时一般多采用水面浮标法测速。该测量方式简便实用且安全，但浮标测量法所需人员较多，且影响流量测量精度因素多。如测量时风向、风速影响浮标运行轨迹，顺风逆风影响浮漂运行速度，从而影响断面平均流速的测量；浮标形状材质也会影响入水深度从而影响所测流速；浮标投放多少及浮标在断面分布情况影响虚流速曲线，从而影响流速；浮标运行至中断面时辐射人所出现的视距误差影响浮标起距，从而影响流速；浮标运行至上、中、下三个断面时测量人员观测浮标所在位置时报时所出现的误差影响流速；测量工作完成后进行分析计算时，虚流速曲线绘制的合理性会影响断面平均流速。因此，水面浮标法测量流速是在没有其他测量方法的前提下使用的方法。

除浮标法与测速仪法测量流速外，声学多普勒流速剖面仪(ADCP——AcousticDopplerCurrentProfilers)的使用也是目前较为先进的测速方式，其在欧美发达国家应用比较广泛，而我国还处于起步阶段。其利用多普勒原理将声脉冲波发射于水体，通过水体泥沙等反散色体反散射，接受信号后测算出流速。但该方法受流速与水体中杂质影响，导致ADCP在高流速或波浪大时无法入水[3]。随着经济社会的发展和科技的进步，使用雷达测速仪对移动物体的运动速度测量技术日趋成熟，其主要应用于定点测量和移动测量，已普遍应用于军事和民用领域[4]，但还较少应用于水文测验领域。

2 雷达波测速仪简介

雷达测速仪是通过微波来测量运行物体的运行速度，其工作原理是基于多普勒原理，雷达波以扇形发射向目标，当微波照射在物体上时会产生一个与运动物体速度成比率的变化，其变化大小反应了物体运动速度。雷达测速仪主要由微波单位、放大单元、中央控制与信号处理单元、数据输出及显示单元、电源处理等部件组成。

目前雷达波测速方式有两种，一种为同向测速，其测量目标与雷达波束发射方向一致；另一种为反向测速，其测量目标与雷达波束发射方向相反。常见的雷达测速仪设备包括手持雷达波流速仪、缆道雷达波测流设备、在线遥控多探头雷达波数字化测流系统、无线遥控雷达波数字化测流系统等。其中无线遥控雷达波数字化测流系统可用于较大流量的监测，也可用于高流速、高浪和漂浮物较多水域的测量；在线遥控多探头雷达波数字化测流系统可通过无线传输将实时测量数据传回监控中枢，但该方法对检测环境要求较高；缆道雷达波测流设备主要适用于高流速、污水和大量漂浮物条件下的检测，对0.5m/s的流速测量并不精确；手持式雷达波流速仪主要适用于桥测以及断面窄的河道测量。

雷达测速的准确性也取决于环境因素，如天气情况的变化导致空气中漂浮物和水滴的增多，均可影响雷达波信号，造成雷达获取到空气中杂质的信号，从而影响流速的测量；环境中的电子噪音如无线电信号、灯光、电源也可造成雷达测速误差或错误；而风力导致的雷达测速仪摆动以及风哨效应也是造成误差的重要原因[5，6]。

3 雷达波测速技术在青衣江流域的应用

青衣江主源为四川省雅安市宝兴河，主要发源于夹金山和邛崃山脉巴郎山之间的蜀西营，流域涉及雅安、眉山、乐山。为了验证雷达波测定流速技术在青衣江流域中高水流量测量的可行性，本研究同时使用雷达测速仪与常规流速仪对青衣江流域多营坪、荥经、芦山等水文站2012年6月至2013年10月的流量进行对比实测。雷达测速仪利用美国ACI公司StalkerS3-SVR型缆道雷达波流速仪，用其对青衣江流域多营坪等水文站流量(Q雷)实测28次，同时同水位下以常规流速仪所测流量(Q流)作为标准值。测量结果显示，在2013年6月至2013年10月各级水位流速测量中，两种测量方法实测的流量数据Q雷与Q常高度一致(见表1)，且测量数据符合Q流=0.977×Q雷+9.471的线性相关关系，相关系数较高(见图1)；Q雷、Q流与水位的标准曲线见图2、图3，从流量与水位标准曲线图中可以看出，两种测流方法的测定结果也高度一致。可见，在青衣江流域中高水流量河流水文测量中应用雷达测速技术是完全可行的，且其测量结果与常规测速仪同步测定的结果相符，有效提升了水文监测效率和测量精度。

表1 雷达测速仪实测流量Q雷与常规测速仪同步流量Q流对照

图1 雷达测速仪和常规测速仪实测流量相关曲线

图2 雷达测速仪实测流量与水位标准曲线

附图3 常规测速仪实测流量与水位标准曲线

4 结语

传统的浮标测速法和测速仪测速法由于技术限制，其精确性、操作安全性已不适应现代水文工作的需要。青衣江流域水流湍急、河床曲折、水位涨落变化大(陡涨陡落)、峰现时间短、漂浮物多泥沙较大，且年内流量变化大，较为先进的ADCP技术并不适用于该流域。雷达波测速技术的发展为快速、准确地测量流量提供了可能性，在青衣江流域的应用表明，其测量结果与常规流速仪法测量结果高度一致。由于雷达测速仪精度高，使用便捷，且避免了水中漂浮物干扰，同时，该方法无需将设备置于水中，避免了测流时设施设备的安全隐患。因此，雷达测速仪适用于青衣江及与其类似的流域水文测验，当然，在应用该方法测量流速时应尽量避免天气、人为因素对仪器精确性的影响。雷达测速技术与传统流量监测系统的配合使用，将极大提升水文监测的准确性和及时性。

〔1〕刘 伟，王吉星，王少华，等.水文浮标站应急监测装置设计与开发[J].水利信息化，2013(2)：29-32.

〔2〕姚章民.声学多普勒水流剖面仪在河流流量测量中的应用[J].人民珠江，2002，23(6)：23-24.

〔3〕董爱红，姜小留，刘善锋.探讨ADCP在水文测验中的应用[J].河南水利与南水北调，2007(2)：46.

〔4〕秦福清.雷达波流速仪在中小河流流量测验中的应用分析[J].水利信息化，2012(4)：42-48.

〔5〕庞 雷.雷达波流速仪在我省中小河流流量测验中的应用[J].水文，2013(1)：35-38.

〔6〕董如洲，魏泉苗，徐小弟，等.杭州湾地波雷达观测的海流数据取样率分析[J].海洋学研究，2008，4(26)：55-60.

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2095-1809(2017)01-0053-03