宜昌站SVR电波流速仪测量数据分析浅谈

0 引言

为了摸清水位流量关系变化，提高流量整编精度，在葛洲坝和三峡水利枢纽联合调度对水沙过程影响较大情况下，宜昌站通过大量增加外业测验频次（每年测流80～100次），基本控制了水位流量关系。但特殊水情下，凭借增加测次的方式仍不能完全控制出水位流量关系变化过程，反而加大了测验时机把握难度、测验成本、劳动强度和人身安全风险。通过引进电波流速仪，宜昌水文站探索了新的测验方法和手段，既能收集反应本站特性下的流量变化过程，又能减少测验成本和外业风险。

1 电波流速仪应用背景

1.1 目前宜昌水文站测验手段

宜昌水文站流量测验方法主要是流速仪法和ADCP走航式。目前采用测船进行流量测验。经三峡水库调度调洪（可调洪20000m3/s以上），结合流域防洪预警标准，综合确定宜昌站将流量超过76900m3/s的洪水作为超标洪水。

为缩短测验历时及抢测洪峰、增加测验安全，水文站引进了电波流速仪测流，为了保证电波流速仪在该站的测验精度，使测验资料可靠性有所保证，本站进行了电波流速仪系数的对比试验，并进行了分析。本次分析采用2020年资料。

1.2 电波流速仪工作原理

SVR电波流速仪是一款在水利环保领域广泛应用的手持非接触式测速设备。作为世界上首款专为液体表面流速测量的设备，SVR电波流速仪集成了多项世界领先的专利技术，比如自适应微波收发强度控制模块、32位高速多普勒DSP芯片等，大幅提高设备在各种复杂条件下的准确性和灵敏性，专门为液面流速测量开发的智能表面回波分析算法，可有效排除与液面流速无关的干扰信号，测量液面流速稳定可靠。大功率微波发射单元保证设备具备极高的检测灵敏度，同时大大增加有效测程距离（大于100m）。

SVR电波流速仪可广泛应用于野外巡测和洪水、溃坝、决口、泥石流等应急测量，尤其适用于汛期抢测洪峰。自动化程度高、性能可靠、工作稳定、维护方便。

如图1所示。

图1 SVR电波流速仪及组件

SVR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0.3m/s），根据发射和返回信号频率的不同，测定水面流速，如图2所示。

图2 SVR电波流速仪测量

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。

1.3 宜昌水文站概况

宜昌水文站（以下简称宜昌站）位于长江中游干流上段，地理位置东经111°17′，北纬30°42′，控制流域面积1005501km2，占全流域面积的55%，属长江干流一类基本水文站。测验河段上下游约3km范围内较顺直，测验断面呈“U”型，断面起点距700m以右系乱石陡坡河床，以左为卵石沙质河床，低水时有100m左右的沙滩，左岸河底高程44m以上为混凝土预制块护岸，54m以上是滨江公园平地。本站为三峡出口兼坝下控制站。断面上游6km有葛洲坝水利枢纽工程，44km有三峡水利枢纽工程；断面下游2km有夷陵长江大桥，4.2km有宜万铁路长江大桥，下游39km有清江支流汇入。长期以来，宜昌水文站为长江水利水电建设、水文科研、河演观测、中下游防洪预报、葛洲坝及三峡水利枢纽工程建设及运行和调度提供了大量珍贵翔实的第一手水文资料。

1.4 测站特性

多年以来，测验河段上游相继建成葛洲坝和三峡水利枢纽，导致宜昌站水流特性较为复杂，水位流量关系受影响因素较多，主要受洪水涨落、断面冲淤、上游葛洲坝和三峡水利枢纽联合调度、下游清江洪水顶托等综合因素影响，中高水水位流量关系呈逆时针绳套曲线和临时曲线，低水一般为单一线，具体表现为受电站蓄放水而产生的附加比降的影响，电站放水时，水位上涨，流速增大，流量也增大；蓄水时则完全相反。在水位流量关系线上表现为涨水点偏右，落水点偏左，峰、谷点居中。如不间断连时序测验流量，反映在水位流量关系上为连续的绳套。

采用选点法数据，点绘2017-2020年宜昌站25条测速垂线流速分布如图3，25条垂线分布较为一致，点绘一条标准垂线分布曲线如图4，实际流速分布情况接近对数曲线型和指数曲线型。

图3 垂线流速分布

图4 标准垂线分布曲线

采用2017-2020年选点法数据，分析不同水位级情况下流速分布如图5。从图5可以看出不同水位级下流速分布规律较为一致，两边流速较小，中泓流速较大，右岸流速比左岸大，最大流速集中在起点距550-610m之间。

图5 垂线平均流速横向分布

2 电波流速仪对比试验的具体方法

2.1 电波流速仪测验

电波流速仪测验地点选在断面下游2km夷陵长江大桥处，此处交通方便，且无支流汊流，测验得出流量具有代表性，因与断面不在一个平面不考虑端面影响因素。

分别测量桥两站坐标，在起点局660m、700m之间布置一条垂线。对着水流方向，仪器射线与水面成45度角，连续施测该垂线水面流速10次，取10次平均值作为测点流速，同一时段在宜昌水文站断面上使用走航式ADCP施测流量。

2.2 分析方法

用走航式ADCP测得断面流量和电波流速仪所测平均水面流速计算该次比测试验的电波流速仪水面系数。

3 对比测验

宜昌水文站电波流速仪系数试验，在2020年5月至9月期间试验22次，其流速变幅 范 围 为1.73m/s～4.42m/s，流量 变 幅 为13000m3/s～41900m3/s。对比试验过程中天气情况良好，流速仪实测流量、电波流速仪流速成果对比表见表1。

表1 麻街站电波流速仪水面系数计算表

4 回归计算及误差分析

根据走航式ADCP实测断面流量与用电波流速仪法实测流速进行点绘ADCP断面流量与电波流速仪实测流速关系图，采取回归计算得到线性关系公式为y=11183x-6455.4，见图6。

图6 麻街水文站电波流速仪系数分析图

根据图6，按照《流量测验规范》的规定，相关系数r=0.9515，资料的线性相关性比较好。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。

初步确定电波流速仪测得指标流速与ADCP实测断面流量建立的线性关系公式，得到本站电波流速仪指标流速与断面平均流量推流模型。

建立线性关系，公式及相关精度如表2。可看出关系线系统误差和不确定度两项指标符合《水文资料整编规范SLT247-2020》定线精度要求（一类精度站，系统误差不超过±1%，不确定度不超过10%，因电波流速仪原理和水面浮标法类似，随即不确定度可扩大到12%）。

表2 模型V～Qc关系线检验计算统计表

对所电波流速仪实测流速与走航式ADCP所测断面流量的线性关系进行符号、适线、偏离数值检验如表2，三项检验均满足要求。

5 结论

经过分析，宜昌水文站比测结果满足精度要求，其代表性较好，可用于实际应急监测工作中。建议下一阶段工作应尽可能的收集较多的比测资料，扩充样本容量，增强样本代表性，并对率定曲线进行重新率定。

电波流速仪应用于宜昌水文站，是传统的流速仪、ADCP等测验仪器设备的重要补充方案，在实际测量中取得了一定的效果，测验质量满足水文规范要求。这样以来大大提升报汛质量和时效性，从根本上解决了受工程影响测站流量测报的难题，提升了超高洪水下水文测验人员的安全性，同时也将水文信息化向水文智能化发展提升了一个高度。