YMCP-1型非接触微波流速仪比测试验及系数分析

董福新 李文平 赵梅 马志刚

（黄河水利委员会黄河中游水文水资源局 山西晋中 030600）

1 问题的提出

YMCP-1型非接触式微波测流仪，因其测量时不受水中漂浮物等的影响，特别适用于含沙量大、漂浮物多的河流使用。微波流速仪系数的选取直接决定流量测验成果精度，仪器投产前必须对其使用系数进行比测试验分析。

2 比测试验概况

2.1 比测试验的内容

2011年初，在府谷、吴堡两站开展了比测试验工作，其工作内容如下：

（1）测站基本断面垂线流速分布试验。

（2）微波流速仪与转子流速仪流量比测试验。

2.2 比测试验方法

（1）根据规范精测法要求，布设测速垂线。

（2）用微波流速仪和转子流速仪，分别同时在各测速垂线上施测流速，转子流速仪采用常测法。其中为了满足流速垂线分布规律和水面流速系数的分析需求，每次比测试验选1条测速垂线，采用精测法测速。

2.3 比测试验资料及代表性

对府谷、吴堡两站微波流速仪系数进行了分析。府谷、吴堡两站共取得32次流量及32条垂线的比测试验成果，点绘两站比测试验垂线流速分布图及微波流速仪流速横向分布图，对比测试验资料进行了合理性分析。经分析，比测试验资料可靠，具有较好的代表性。

3 比测试验资料分析

从理论上讲，微波流速仪实测流速为水面流速，其微波流速仪系数应该等于水面流速系数。但在微波流速仪应用过程中发现，微波流速仪实测流速并非等于水面流速，微波流速仪系数也并非等于水面流速系数。在微波流速仪推广应用过程中，因缺乏比测试验资料，部分水文站采用浮标系数作为微波流速仪系数，是否合适？下面就水面流速系数、浮标系数及微波流速系数进行分析。

3.1 水面流速系数与浮标系数的比较

（1）水面流速系数

垂线平均流速与该垂线水面流速之比值，其大小决定于垂线的流速分布规律。通过该系数，可以由水面流速来确定垂线的平均流速。

计算公式为：

式中：K1——水面流速系数；

ν0.0——垂线的水面流速；

ν——点流速；

y——相对水深；

νm——垂线平均流速。

（2）浮标系数

一个受多因素影响的综合系数，其大小主要受风向、风力、浮标的形式和材料、浮标入水深度、水流情况、河流断面形状以及河床糙率等因素影响。其半理论半经验公式为：

式中：Kf——断面浮标系数；

A——浮标阻力分布系数；

水文测站浮标系数一般应针对不同形式的浮标，通过比测分析研究确定。府谷、吴堡两站系数分别为0.85、0.82[1]。

综上分析：上述两系数虽然有一定的内在联系，但完全是两个不同概念，如果将浮标系数借用于水面流速仪，用来计算断面流量，势必影响流量的测验精度。

3.2 水面流速系数分析

（1）经验公式法

点绘吴堡、府谷站垂线流速分布图，可以看出，卡拉乌舍夫流速分布于吴堡站垂线流速分布相近，故可假设水文站垂线流速分布符合卡拉乌舍夫流速公式：

式中：P——流速分布参数，一般取0.6，相当于谢才系数C=40～60。

按积分法计算垂线平均流速为：

（2）统计分析法

分别计算府谷、吴堡两站垂线测点流速与垂线平均流速之比值，并取其平均值，点绘相对水深与测点流速与垂线平均流速之比值的关系图，统计分析该站垂线流速分布规律。可以看出：府谷、吴堡站在相对水深分别为 0.0、0.2、0.6、0.8、1.0 处，测点流速与垂线平均流速之比值分别为1.13、1.14、0.99、0.88、0.71 和 1.13、1.10、1.00、0.91、0.75。经计算府谷、吴堡两站其系数均为K1=0.885。

根据《河流流量测验规范》有关流速系数取用要求，府谷、吴堡两站水面流速系数均取用0.89。

3.3 微波流速仪系数分析

该系数为流量真值与微波流速仪实测虚流量之比值，其中微波流速仪实测虚流量是以微波流速仪实测流速作为垂线平均流速而计算的流量值。本分析以转子流速仪实测流量作为流量真值，对微波流速仪系数进行分析。

点绘府谷、吴堡两站转子流速仪实测流量与微波流速仪实测虚流量相关图（见图1），可以看出，其转子流速仪实测流量与微波流速仪实测虚流量相关点密切成带状，回归方程：Q转子=0.853Q微波虚，相关系数R2=0.9979。说明两者相关性较好。经分析：府谷、吴堡两站平均微波流速仪系数为0.853。

根据比测试验资料，计算并点绘两站流量—单次微波流速仪系数关系图（见图2）。可以看出，流量大于500 m3/s时，其系数比较稳定；流量小于500 m3/s时，两站系数不是很稳定。为确保流量测验精度，微波流速仪尽量在流量大于500m3/s时使用。

图1 府谷、吴堡两站Q转子——Q微波虚相关图

图2 府谷、吴堡两站流量——微波流速仪系数关系图

根据《河流流量测验规范》有关流速系数取用要求，府谷、吴堡两站微波流速仪系数均取用0.85。

3.4 各系数对比分析

综上分析，府谷站水面流速系数、微波流速仪系数、浮标系数分别为 0.89、0.85、0.85；吴堡站分别为 0.89、0.85、0.82。我们既不能简单地将水面流速系数作为微波流速仪系数，也不能将浮标系数作为微波流速仪系数。各站在选用微波流速仪系数时，必须经比测资料而确定。

4 微波流速仪测流误差分析

采用经分析确定的府谷、吴堡两站综合微波流速仪系数（0.85），由两站微波流速仪实测虚流量，计算微波流速仪实测流量，并以转子流速仪实测流量为真值，对微波流速仪测流误差进行分析。经计算，其系统误差为-0.1%，随机不确定度为9.0%，均满足《规范》要求。

5 分析结论

府谷、吴堡两站取用微波流速仪系数0.85，可以满足生产应用需求。

［1］齐斌，高贵成，郭成山.电波流速仪系数分析试验研究［J］.水文.2004，24（1）：50.