电波流速仪在南康水文站流量测验中的应用

2020-03-11林国鸿刘惠雯罗祚珍曾秀华

广西水利水电 2020年1期

林国鸿，刘惠雯，罗祚珍，曾秀华

（广西沿海水文中心合浦水文中心站，广西北海 536000）

流量测验的目的是要取得天然河流以及受水利工程影响河道的各种径流资料，掌握全河水量的时空分布情况，为流域水利规划、防汛抗旱、水利工程管理运用和国民经济建设提供可靠的依据。本文介绍的电波流速仪是利用雷达多普勒效应，用无接触的方式测量水面流速的一种新型仪器，并通过对水面系数的换算达到测量河流流量的目的。

1 电波流速仪的工作原理、应用条件和技术指标

1.1 工作原理

SVR 电波流速仪（德卡托）是一种手持式表面测速雷达，专为测量水面速度而设计，特别适合溪流及河流速度测量。

电波流速仪发出一个微波能量束（无线电波），当这个波的能量撞击水面时，波能量的一小部分返回到雷达设备天线，返回信号的频率变化与目标速度成比例（多普勒效应，最小流速0.3 m/s），根据发射和返回信号频率的不同，测定水面流速，如图1。参照均匀浮标法，测定多条垂线的水面流速，按照流速面积法计算断面虚流量，乘以断面平均水面流速系数，得到断面流量。

1.2 应用条件

测量时俯角（见图2）不要大于45°，水平角不大于60°，由于内部倾斜传感器很灵敏，测量过程应保持电波流速仪姿态稳定、不震动，尽可能接近水面，精度会更高（因为电波流速仪接收返回信号的强弱，和探头、水面距离以及波浪大小有直接关系）。

图1 电波流速仪测速示意图

图2 俯角定义示意图

1.3 主要技术指标

主要技术指标为：①测量范围：0.2～18 m/s；②测量精度：0.1 m/s；③发射角：12°；④环境温度：-30～+70℃；⑤电波频率：34.7 GHz；⑥功率：50 mW。

2 电波流速仪在南康水文站的应用

2.1 测站概况

南康水文站设立于 1980年 1月，1993年 7月～2015年5月停测，2015年6月重建恢复测验，位于广西北海市铁山港区南康镇南康社区沙塘岭，是南康江唯一的控制水文站，属小河水文站。干流长度15.8 km，集水面积44.2 km2，干流平均比降2.06‰。断面河槽形状为复式，测验河段为沙质河床。

南康江流域属亚热带海洋性季风气候区，日照充足，雨量充沛，每年的洪水主要发生在5～9月，特别是7～8月，受热带气旋、静止锋、切变线、低涡、高空辐合等天气影响，暴雨洪水频繁、强度大。流域汇流面积小、流程短，洪水属暴涨暴落型。

2.2 电波流速仪流量测验方法

根据电波流速仪工作原理，电波流速仪特别适合有桥梁的暴涨暴落的中小河流的流量测验。本文介绍的电波流速仪流量测验方法为桥测法。

2.2.1 确定测流断面

鉴于南康水文站没有缆道，下游62 m处建有南康公路桥，桥面水平，经综合分析，流速仪测流断面布设在南康公路桥下7 m（基下69 m）处，断面左、右岸都已建成标准河堤，其断面形状如图3。

图3 南康水文站流速仪测流断面图

表1 南康水文站电波流速仪测速垂线布设情况表

2.2.2 确定电波流速仪测速垂线数

根据桥梁和河段河宽情况，电波流速仪断面共设置 8 条垂线，分别为 4.0、7.0、14.0、19.0、25.0、29.0、34.0、38.0 m，电波流速仪测速垂线布设情况见表1。

2.2.3 流量测验

（1）流速测量。到达测流桥上标识的固定位置，将电波流速仪安装在三脚架上，量取仪器高，填写电波流速仪安装参数记载表，根据水平方位角、俯角调整仪器姿态，将电波流速仪探头瞄准到测流断面垂线上。当显示的读数稳定，可认为是水流表面速度。根据南康江不同的水位级，一般施测4～6条垂线。

（2）流量计算与检查。流量计算方法与流速仪类同，采用流速面积法计算断面虚流量。测流完成后，应对流量测验成果表进行检查，根据流速曲线分布图和断面图分析流速合理性。特别是对已测流速与实际流速不符要重测检验。对于中小河流，中泓流速应该最大；如果边上流速比中泓大，这个数值需要重测验证；河宽较宽的河流，流态会复杂一些。

3 电波流速仪法比测分析

3.1 比测试验情况

南康水文站是专用站，洪水属暴涨暴落型，无测流缆道设施，人力不足造成ADCP测流不便，这就需要用其他更便捷的测验手段。南康水文站流量测验按照《北海市水文水资源测报中心测报方案（试行）》要求，全年在流速仪测流断面（基下69 m）处进行，采用走航式ADCP 和电波流速仪在同一断面进行流量测验。

南康站2017年6月起开展SVR流量～ADCP流量关系的比测率定工作，由于洪水场次偏少，2017年 7月 3日～2019年 8月 19日共收集了 10 份比测资料，实测流量变幅为10.3～61.7 m3/s，相应水位变幅8.17～10.22 m（中水8.0～9.5 m，高水≥9.5 m）。

3.2 比测结果

SVR 电波流速仪测量的是单位时间内经过某一个断面的水面流量，即SVR 流量，并非水道断面流量，因此需建立断面流量与指标流量的关系，以断面虚流量QSVR和断面流量Qadc（p走航式ADCP 实测）进行回归分析。根据收集的比测资料，绘制关系线（见图4），经计算机线性函数回归分析并定线，建立了虚流量与断面流量关系，率定结果为：Y＝0.6 968×X-5.6 089，其中：Y为ADCP 实测流量，即断面流量，m3/s；X为SVR电波流速仪虚流量，m3/s。

图4 断面流量Qadcp和虚流量QSVR相关关系图

通过图4可示，SVR电波流速仪流量与ADCP实测流量之间相关关系较好，相关系数达到了0.9 933。

3.3 比测数据分析

3.3.1 数据分析

电波流速仪主要用于中高水流量测验，收集到10 次中高水测次比测流量资料，最大比测流量为61.70 m3/s。通过率定出来的回归方程推算断面流量，并计算相对误差，相对误差绝对值最小1.4%，最大11.9%，成果见表2。

表2 SVR电波流速仪推算流量成果表

3.3.2 误差分析

南康水文站为专用水文站，根据《水文资料整编规范》（SL247-2012）和《水文巡测规范》（SL195-2015）水位流量关系定线精度指标要求，单一线法精度指标为系统误差±3%，电波流速仪法随机不确定度指标为18%。对ADCP 流量、SVR 流量以及SVR推算流量进行符号检验、适线检验和偏离数值检验，并计算系统误差、随机不确定度（见表3）。结果显示，系统误差为-0.1%，随机不确定度为15%，三种检验合格，误差满足精度指标要求。