手持电波流速仪在黄山地区中高水流量测验中的应用研究

李立州 程

(黄山水文水资源局，安徽 屯溪 245000)

1 研究背景

黄山市地处皖南山区，辖区内有新安江、长江、鄱阳湖三大流域。山区河流因其地势原因，洪水期间水位暴涨猛落，水位和流量均变幅大，持续时间短。在有限的洪水历时里测得并掌握水文资料显得尤为重要。随着测验环境的长期变化和对水文测验要求的不断提高，传统的转子式流速仪、浮标和比降-面积测流法已难以适用山区中高水的测验条件，声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，简称：ADCP)、手持电波流速仪等仪器脱颖而出，并得到越来越多的应用。

汛期对洪水的抢测，尤其是中小河流站点，测验人员和仪器的流动性都比较大，往往会出现多部仪器在同一个站使用或同一部仪器在多个站点使用的情况。过去用电波流速仪测流时采用系数大多为出厂值、借用已有站系数或参考其他方法率定的水面流速系数。但实践发现，这些方法受操作人员经验影响较大，成果稳定性差且误差较大，难以满足定线推流要求。若想使手持电波流速仪在黄山地区中高水测流中得到较好应用，生产应用中还须分析探寻不同仪器型号、不同断面下的比测系数规律。

2 研究目的与方法

手持电波流速仪体积小易携带、操作便捷、使用安全性高，对测验环境要求低，更适合于山区河流的野外测验，且山区洪水期间漂浮物越多，仪器反射波越强，在洪水测验中越占优势。但由于手持电波流速仪在黄山地区的使用经验较少，未有足够的数据分析其应用系数是否受测验断面或仪器软硬件等因素影响。手持电波流速仪系数的选用直接影响河道断面流量测验成果，在传统的测验方法难以实施的情况下，分析出准确的电波流速仪系数，可使电波流速仪得到更好更精准的应用，也可以解决山溪性河流中高水测验这一大难题。

根据2019年和2020年手持电波流速仪与转子式流速仪和走航式ADCP在祁门、新亭、休宁水文站的应用情况，将各水文站基于同一水位下电波流速仪和走航式ADCP、转子式流速仪的测验成果进行整理与分析比较，建立相关关系并进行误差分析，以分析电波流速仪系数的使用情况。

3 测验概况

祁门水文站：地处鄱阳湖流域饶河水系大洪水上游，集水面积382km2，2020年实测最高水位116.61m，相应流量1500m3/s。本站测验河段顺直，主槽河床质为卵石和岩石，断面无较大冲淤变化，右岸为自然斜坡，岸顶是省道公路，左岸为人工岸，岸顶是农田及居民房屋。高水受下游弯道控制，水位流量关系呈单一线和临时曲线型。高水时主要采用缆道流速仪法、比降面积法和电波流速仪法3种测洪方案。但前两种方法局限性大，洪水时河道内大型漂浮物多，用缆道流速仪测流铅鱼入水时间长，危险性较大；比降面积法因水流浪大，会导致观测误差增大。近两年也曾在合适的测流时机选用走航式ADCP测流。

新亭水文站：地处钱塘江流域新安江水系峡溪，集水面积184km2，实测最高水位168.27m，发生于1973年，相应流量1310m3/s。中高水受下游弯道控制，测验河段顺直，中高水主槽宽约60m。主槽由卵石组成，右岸滩地由砂卵石组成。水位流量关系多呈单一线和临时曲线型。测洪主要采用缆道流速仪法、浮标法和电波流速仪法。但因为站内缆道改造后架设偏高，高水时流速仪入水受水流冲击常出现铅鱼跃出水面的现象，现在缆道流速仪已难以测到中高水的流速。浮标法受条件限制上下测流断面不过100m，且岸边竹子生长也影响浮标观测。

休宁水文站：属钱塘江流域新安江水系横江干流，汇入新安江，集水面积869km2，实测最高水位140.81m，相应流量2900m3/s，出现于2020年，水位流量关系比较稳定。高水受下游弯道控制，断面主槽河床质为卵石和岩石，右岸为自然斜坡，左岸为浆砌块石防洪护岸，河底有水草，冲淤变化小。休宁站为新建中小河流防汛专用水文站，没有架设缆道，难以率定糙率和浮标系数。

4 手持电波流速仪工作原理与流量计算

Stalker Ⅱ SVR手持电波流速仪是专业的水面流速测速仪器。其通过远距离不接触水面发射雷达波，雷达波遇到运动的水面形成回波被接收，继而通过智能水面回波频谱分析算法计算出水面流速。

通过计算部分水面平均流速、部分面积、部分流量从而得到断面虚流量，由于水面平均流速不能代表断面平均流速，实际河道断面流量还需要经过电波流速仪系数进行换算得到。

5 手持电波流速仪系数分析

2019年和2020年间，祁门水文站使用过型号为SV002116和SV001952的两台电波流速仪；新亭水文站使用过型号为SV003505和SV001952的两台电波流速仪；休宁水文站使用了型号为SV001952的电波流速仪。表1为各水文站比测资料，范围覆盖了100～1000km2流域面积站的中高水多个水位级。

5.1 同一水文站使用不同电波流速仪比测结果分析

祁门、新亭水文站分别在中低水时使用了两台电波流速仪，高水时两个水文站分别只用1台电波流速仪，休宁水文站低、中、高水时用的都是祁门、新亭水文站中低水时用的SV001952流速仪。

由表1可知，祁门水文站在水位111.45～111.95m时，SV001952流速仪的比测系数均值为0.83，系数波动相对较小。SV002116流速仪比测系数均值0.90，变动范围0.81～0.97，系数波动较大。两台仪器测量结果相差较大，系数均值相差5%左右；新亭水文站低水(水位163.00m以下)时SV001952和SV003505两台仪器测量结果相近，比测系数均值均为0.81且波动较小。

表1 祁门、新亭和休宁水文站电波流速仪比测数据

续表

由此可见，同一个水文站在使用不同的电波流速仪时，有的比测系数差异较大，有的差异较小，比测系数稳定与否，不仅与水文站测验环境有关，还与仪器性能相关，电波流速仪在制造过程中使用的软硬件或集成度等的不一致性也会对测验成果造成影响。

5.2 同一电波流速仪在不同水文站使用情况

SV001952流速仪在祁门、新亭、休宁3个水文站中、低水时都有使用，比测系数的均值分别为0.83、0.81、0.85，差异不大。

5.3 同一水文站在不同水位级使用相同电波流速仪情况

建立祁门、新亭、休宁水文站电波流速仪系数与水位关系，见图1。由图1可知，3个水文站的比测系数基本在0.80～1.00之间，比测系数随水位级分布呈两个明显带状，且随着水位升高均有增大的趋势。如祁门按水位112.00m、休宁按水位137.50m为界分成两个区间，并取同区间的比值系数均值进行比较，可以看出存在规律。

图1 祁门、新亭、休宁水文站电波流速仪系数与水位关系

祁门水文站SV002116流速仪测量的水位级为110.60～115.40m，当水位在112.00m以下时，比测系数为0.81～0.97，变化较大，比测系数均值0.90；水位在112.00m以上时，比测系数基本在0.90以上且变动较少，比测系数均值0.93。用比测系数均值代替单次率定比值成果反推流量并与真值比较，相对误差基本在5%以下，少数点次误差近10%。

休宁站水位低于137.50m时，比值系数均小于0.90，比值系数均值为0.85；当水位高于137.50m时，比值系数均大于0.90，比值系数均值为0.95。用比测系数均值代替单次率定比值成果反推流量与真值的相对误差基本都在5%以下。

分析其原因是各站在使用手持电波流速仪测流时，均是站在桥上向上游水面发射信号。由于桥跨结构有一定厚度，会一定程度阻碍过水。水位越高时，洪水淹没桥洞面积越大，桥梁阻水、壅水使水流在桥墩附近收缩下沉，大大减小了水面流速，导致电波流速仪法测算出的流量偏小，比测系数普遍偏大。

6 结 论

经以上不同水文站、不同流速仪所测数据比较，得出以下结论：

a.手持电波流速仪对黄山地区河道测洪有较好的适应性，是用于中高水测验的有效方法。为保证手持电波流速仪测验成果可靠，切忌盲目使用出厂系数。

b.中低水时比测系数在0.80～0.85之间，同一电波流速仪在不同的测验断面使用，受测验环境影响较小，新用站可以借用其他站比值。

c.同一电波流速仪在同一测站使用时，比测系数在不同的水位级变化也较大。各站使用的电波流速仪应相对固定，且在不同洪水等级进行多次比测，分析变化规律以供使用。当水位达到中高等级时，各站的比测系数大多在0.90以上，比测系数逐渐稳定，比测结果可以外延使用到高水。

d.中高水时不同的电波流速仪、不同的测站比测系数变化较大，需分别率定使用。

7 思考与建议

手持电波流速仪在河道断面流量测验中，能避开水面漂浮物多、含沙量大和水流湍急等测验难题，操作便捷安全，在野外测验尤其是抢测洪水时是非常合适的测验设备，弥补了转子流速仪、比降面积等传统测验方法的不足，但在实际应用中对系数的采用需谨慎。

测站在条件允许的情况下，宜使用固定的手持电波流速仪。为及时获得洪水测验成果，测站应在汛前选择并测量手持电波流速仪测验断面；洪水过后，也应当及时对断面进行复测，以保证成果准确。当发生洪水时，要根据洪水情况合理分析率定系数。同时为了应对仪器损坏等需要换手持电波流速仪的突发情况，测站在前期应率定出现有的不同电波流速仪在自己测站的系数，以保证测验成果准确可靠。