电波流速仪在现代水文工作中的应用及思考

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(四川省雅安水文水资源勘测局，四川 雅安，625000)

泸定水文站位于四川省泸定县延安路9号，东经102°14′，北纬29°55′，集水面积58943km2。站点所处的大渡河中游属于山区性河流，河道狭窄，洪水来临时，水深、流速大，使用传统流量测验方法对基础设施设备要求高，威胁大。故高洪水期间，普通测流设备无法施测时基本采用浮标测流法或比降面积法推流，以此保证为防汛抗洪抢险工作提供及时准确的水情信息，为各级防汛抢险指挥部门做出重大防汛决策提供科学依据。而随着社会的发展，科技的进步，兼顾各种水文情形、更加高效便捷的测流仪器——电波流速仪(本文以S3-SVR型为例)问世了，其弥补了传统测流方式的诸多不足，但要让电波流速仪在日常水文测流工作中替代传统测流方式，测验结果满足资料整编要求，就需要通过理论分析和实际使用对比，选出最为适合的方式完成水文测验任务。

1 目前常用流量测验方法及优缺点

1.1 旋桨式流速仪测流法

1.1.1 工作原理

当流速仪放入水流中，水流作用于流速仪的感应原件(旋浆)时，由于它的迎水面的各部分受到的水压力不同而产生压力差，以致形成一个转动力矩，使旋浆产生旋转。

流速仪旋浆的转速n与流速v之间存在着一定的函数关系v=f(n)。大量实验证明其关系相当稳定，可以通过检定水槽的试验确定。利用函数关系，在实际水文测量中，测得旋浆的转速，从而计算出水流流速。

1.1.2 优缺点

(1)优点：对流速的感应灵敏，测验精度高；操作简单，使用方便，便于拆装清洗修理；体积小重量轻，便于携带，价格低，利于推广。

(2)缺点：对于无缆道、无测船、高洪水位及流速太大水面杂物过多等情况时，具有相当的局限性；测流时间较长，不利于洪峰流量的抢测。

1.2 浮标测流法

1.2.1 测流方法

浮标测速是在测流河段沿河宽均匀投放浮标，观测各浮标流经上下浮标断面间的运行历时，测定各浮标流经中断面的位置。投放浮标的数量应大致与流速仪测流的测速垂线数目相当。如遇特大洪水，可只在中泓投浮标或选用天然漂浮物作浮标。

1.2.2 优缺点

(1)优点：凡漂浮之物都可做成浮标，宜就地取材。浮标缆道一般架设位置较高，在非常洪水来临之际，一般测流设备无法使用之时，仍能应付自如。

(2)缺点：测流时间长；浮标使用量大；测速垂线分布不均匀；测流人员要求多；流量结果精度低。

1.3 比降面积测流法

1.3.1 测流原理

式中：n——河床糙率；

Se——能面比降。

1.3.2 优缺点

(1)优点：在无实测流量资料时，可以通过洪调来推算流量。

(2)缺点：必须有相当长时间的相关资料收集，计算出的流量结果精度极低。

2 电波流速仪在泸定水文站的应用

2.1 电波流速仪介绍

2.1.1 测流原理

电波流速仪是利用雷达多普勒效应，用非接触的方式测量水面流速的新型测流仪。电波流速仪发射体发射的雷达波照射水面，部分能量被水面波浪反射回来，产生的多普勒相移信息被仪器的抛物面天线接收，信号处理机利用发射信号的水面回波与发射信号的多普勒频率差来提取速度信息。测量中探头实际接收到的信号是流速信息真值的分量，经余弦改正后还原成真值。理论和实践证明，当方位角为零度，仰角为30°时仪器具有最佳的测量精度。

2.1.2 S3 SVR型缆道电波流速仪主要技术指标

(1)雷达波流速传感器

①流速范围：0.2m/s～18m/s；

②流速精度：±0.03m/s；

③平均时长：0～99.9s；

④俯角范围：0°～70°，可设置；

⑤雨中测流：可在强降雨环境正常测流；

⑥波束宽度：12°(锥度角)。

(2)无线控制模块

①无线频率：2.4GHz；

②通信距离：500m；

③控制功能：控制流速传感器供电，发送流速数据和铅鱼高度数据。

2.2 电波流速仪系数分析

2.2.1 比测试验

2014年6月至8月，泸定水文站进行了30次电波流速仪系数试验，水位变化范围为1307.09m～1312.08m，流量变化范围为1010m3/s～5570m3/s。具体步骤为：在LS25-1型旋桨式流速仪施测流量的同时，将电波流速仪安置于同一缆道，固定位置同步测流，测量完成后分别用LS25-1型旋桨式流速仪和电波流速仪测流结果，计算断面流量及电波流速仪虚流量，然后由断面流量和虚流量计算比测试验的电波流速仪系数。

在电波流速仪系数试验中，为了使试验的电波流速仪系数具有较好的代表性，我们在不同天气，不同水情条件下，用LS25-1型旋桨式流速仪进行了不同测法(三点法及一点法)与电波流速仪不同测速历时的组合比测。

电波流速仪与LS25-1型旋桨式流速仪实测流量对比见表1。

表1电波流速仪与LS25-1型旋桨式流速仪实测流量对比

注：电波系数流量=0.85×电波虚流量+79.5

2.2.2 电波流速仪系数分析

按照表1中的数据，将电波流速仪实测虚流量与对应的断面平均流量进行相关分析计算，得出相关系数为0.85，常数为79.5，回归方程式可以表示为：

Q=0.85×Q电+79.5

式中：Q——断面流量(m3/s)；

Q电——电波流速仪所测虚流量(m3/s)。

图1 电波流速仪K线图

图2 电波流速仪系数流量与线上流量关系

2.2.3电波流速仪系数流量三线检验[1]

(1)符号检验

测点偏离曲线正号个数K=13，负号个数K=17。统计量μ=0.55，(1-α/2)=1.15，μ<μ(1-α/2)，所以合理。

(2)适线检验

负符号变换次数K=17，因为K>0.5(n-1)，所以免作此检验

(3)偏离系数检验

平均相对偏离值的标准差Sp=0.42%，统计量t=-0.95，显著性水平α=0.1，|t|

3 对比与思考

3.1 电波流速仪的优缺点

3.1.1 电波流速仪的优点

(1)人员需求少。用于野外测量等情况时携带方便；结合全自动测流缆道使用时，测流全程只需一人操作；

(2)操作简单。仪器通过无线传输设备传递水面流速数据，一键操作，使用非常简单；

(3)安全可靠。仪器以非入水方式测量，能搭载于测流缆道、测船上或在桥梁等跨河设施上，确保了仪器以及人员的安全；

(4)测得水面流速精度高、用时短。电波流速仪每秒可采集4组测点水面流速信号，如设定每点测速历时20s，则每点在20s内可收集80组流速信号，通过测流软件自动剔除10%的最大最小数据，其余90%数据平均，基本消除波浪等不利因素产生的影响，提高了测验精度。因为用时短，在抢测洪峰流量和水位变化较大时，优势相当显著；

(5)实现在线测流。仪器结合配套软件、水位、断面资料自动生成断面流量；

(6)测速范围宽。根据产品说明书介绍，此产品测速范围为0.2m/s～18m/s。

3.1.2 电波流速仪的缺点

(1)需比测分析系数：由于电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)需适当增加断面测次：由于电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，因此为保证资料精度，必须增加测次；

(3)因暴雨会影响电磁波的反射，所以应尽量避开暴雨环境。

3.2 电波流速仪与常用测流方法的对比

对比电波流速仪测流与旋桨式流速仪测流法可以看到，电波流速仪法在无缆道、无测船、高洪、大沙、漂浮物过多等情况下，能够轻松替代旋桨式流速仪完成测流任务。

对比电波流速仪测流法与浮标测流法可以看出，电波流速仪在测流人员配置、测流前期准备、数据收集及资料精度等方面明显优于浮标测流法，而系数分析与断面测次的增加又是两者共同面临的问题。

对比电波流速仪测流法与比降面积测流法，电波流速仪在精度、人员需求等方面比比降面积测流法有绝对优势。

3.3 电波流速仪应用后的思考

当前我省经济社会正处于快速发展的黄金期，保障粮食增产增收、营造稳定发展大环境对防汛抗旱能力提出更高要求，干旱缺水、城乡洪涝、山洪泥石流等防汛抗旱问题严重制约全面建设小康社会进程。这要求我们必须把增强防洪抗旱服务能力作为工作重点，积极主动做好服务，及时响应各级防指和政府的工作要求，切实做到精准预报、滚动发布、全面分析、超前预警，不断提高我省防汛减灾水平。

在这一背景下，我省逐步加大了中小河流水文监测系统、城市水文系统的建设，以雅安水文局为例，近年增加的水文(位)站、自动测报站达数百个，如果按照传统水文测验方式运转，就需要大量的基础设施投入以及人员配置。但是依照目前的财政支撑以及人员编制，暂时无法满足所增加站点的正常运行，在这种情况下，只有提高先进水文测验仪器(如电波流速仪、雷达波测深仪、全自动测流缆道等)的投入比例，来缓解人员的不足，通过近期试点买进的先进仪器的使用情况来看，这些仪器大大提高了巡测间测的可能性，既保障了基本水文数据的精度，又提高了水文数据的时效性，并减轻了水文人的劳动强度，解决了水文危险作业的问题，改变了水文人传统的踏波逐浪的工作方式，加大了水文测验环境的高适应性，达到了以点带面和“大水文”思想的要求，让水文工作者在现有的水利服务基础上，可以更多的为地区经济建设服务。