手持式电波流速仪在中小河流巡测中的可行性研究

郑应成

（广西壮族自治区水文水资源局，广西 南宁 530023）

0 引言

在开展水文测验方式改革的活动中，面临一个问题：在人少事多的情况下，对大量的中小河流如何实现快速移动式测流。

目前常用的声学多普勒剖面流速仪（ADCP）能实现快速测量，测流自动化程度高；但体积大，附件多，价格高，受漂浮物、泥沙影响大，最少需要 3 人配合，才能完成测流工作。

传统的旋桨式流速仪具有测量精度高，测流范围大，最适合水流速度较低的浅水河流测流，且价钱低，体积小；但操作麻烦，受漂浮物影响大，测流时间长，附件多，水流速度高时，测流就有一定的危险性，需 2 人配合，才能完成测流工作。

手持式电波流速仪测流，不受漂浮物、泥沙的影响，测流时间短；且仪器体积小，便于携带，价钱适中，1 个人就可以完成测流工作。由于是非接触测流，手持式电波流速仪已用于渠道、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，但目前在日常的测流工作中使用不多。如广西水文常用旋桨式流速仪和 ADCP 测流，电波流速仪在实际工作中较少使用，究其原因主要是人们认为其测量误差大。

为了验证手持电波流速仪测流误差是否符合测验规范的要求，用流速面积法测流是否可行，将ProII SVR 手持式电波流速仪放到流速仪检定水槽进行校准；在实际中小河流野外巡测工作中，对手持式电波流速仪用流速面积法与传统流速仪、ADCP 同时进行比测，以验证手持式电波流速仪能否独立在中小河流测流。

1 手持式电波流速仪测量原理及技术指标

1.1 工作原理

Pro II SVR 手持式电波流速仪由雷达枪、220 V充电器、手提仪器箱等组成。

Pro II SVR 电波流速仪是利用电磁波多普勒效应的原理测量水流速度的，测量时，雷达头指向水流，扣动发射按钮，发出无线电波。当电波遇到水面的波浪反射面时，发射电波中的一小部分返回到雷达头。雷达设备根据发射和返回信号频率的不同，通过计算求出水流速度。

1.2 主要技术指标 [1]

Pro II SVR 由运动型雷达升级改造，具有流速平均、回波强度指示、角度改正输入和计时秒表等功能。采用专门为水面流速测量开发的智能表面回波分析算法，可有效排除与水面流速无关的干扰信号，保证水面流速测量稳定可靠。

Pro II SVR 手持式电波流速仪主要技术指标如下：测速范围为 0.20～18.00 m/s；精度为 ± 0.03 m/s；波束宽度为 12°；计时范围为 0～99.9 s；计时精度为0.1 s；微波功率为 50 mW；工作温度为 -30～+70℃；工作频率为 Ka 波段（34.7 GHz）；最大测程为 100 m（4 级灵敏度可调）。

2 手持电波流速仪在流速仪检定水槽的校准

由于野外天然河道的河流具有脉动性，水位常有波动性，在此进行仪器校准很难说明问题，为了检测手持电波流速仪的准确性，在华南水文仪器检测中心对手持式电波流速仪进行校准。华南水文仪器检测中心有 1 条 180 m 长的流速仪检定专用水槽，水槽达到国家标准 GB/T 21699-2008《直线明槽中的转子式流速仪检定-校准方法》中的 1 级精度。将仪器固定在检定车上，由检定车提供标准的校准速度，速度从 0.1～5.0 m/s 逐级与电波流速仪测速进行比较， Pro II SVR 测出的速度ν理论上应与检定车提供的校准速度νi一样，如有差值就是误差。校准结果如表 1 所示。

国家标准 GB/T 11826-2002 《转子式流速仪》中评价仪器性能指标为全线相对均方差，公式如下：

式中：m 为全线相对均方差；n 为参加计算的样本数，n =19（因为表 1 中的第 1 个测得速度不在仪器测量范围内，测量范围内共有 19 个有效点）。

按照表 1 中的数据，利用式（1）计算，电波流速仪在校准速度 0.199～5.059 m/s 范围内的全线相对均方差为 1.32%，满足国家标准 GB/T 11826-2002《转子式流速仪》中不大于 1.8% 的规定[2]，说明 Pro II SVR 的测流精度达到转子式流速仪的精度。

表1 的 19 个流速中只有 2 点的绝对误差超出手持式电波流速仪技术指标（± 0.03 m/s），但也达到了国家标准 GB/T 21699-2008《直线明槽中的转子式流速仪检定-校准方法》中的有关超差点的规定[3]。

通过实验室的校准，说明手持式电波流速仪的性能达到规定的技术指标。

表1 Pro II SVR 和校准速度的对比

3 手持式电波流速仪在实际水文测验中的比测试验

3.1 用流速面积法测流的试验

在与水流方向垂直的桥上面用尺测好各测流垂线的间距，在每条测流垂线上测深、测速，用测深杆或测深仪测深，用手持式电波流速仪测量水面流速，历时选 20 s，测出的表面水流速度乘 0.85（0.85为水面系数），即为该垂线的平均水流速度，此平均水流速度与旋桨式流速仪测出的垂线平均速度相同。同时也证明中小河流中垂线平均水流速度与该垂线水面流速之比的水面系数可以采用 0.85（美国地调局也采用 0.85 的水面系数）。岸边系数、流量的计算按 GB50179-93《河流流量测验规范》[4]中规定的流速面积法计算。

3.2 在明渠供水中与转子式流速仪比测试验

2009 年 11 月 29 日在广西合山电厂冷水明渠供水测流中，用 Pro II SVR 对冷水明渠进行了测流，在最大水深 1.99 m 处，流量是 11.75 m3/s；接着用LS25-1 型旋桨式流速仪对冷水明渠进行了测流，此时最大水深为 1.83 m，测出的流量是 11.22 m3/s，两者流量相差 4.7%。

LS25-1 型旋桨式和手持式电波流速仪都经过流速仪检定水槽校准过，所测数据和仪器精度都是符合要求的。电厂冷水明渠是抽水机供水，当时水量在逐渐减少，水位在下降。2 种仪器测量的时间不一样，水位相差 0.16 m，所以造成流量上 4.7% 的偏差。如果水位一样，可能偏差要小点。

传统的旋桨式流速仪在全世界使用有 100 多年的历史，它的稳定性和准确性是不容置疑的。比测结果说明，在水深 2 m 的渠道下，用手持式电波流速仪测流和旋桨式流速仪测流结果是一样的，证明了手持式电波流速仪用于水渠测流，结果是可信的。

3.3 在水污染事件中与 ADCP 的比测试验

2012 年 5 月 26 日，广西百色靖西发生了华银铝矿水污染事件，大量的污水进入庞凌河，为了及时监测水量，百色水文局用走航式 ADCP 在庞凌河上进行测流，并用 Pro II SVR 同时进行测流，2 种仪器在 3 个不同的断面上进行测流，结果如表 2 所示。

表2 ADCP 与手持式电波流速仪比测结果

从表 2 可以看出 2 种仪器测得的流量和平均流速非常接近，只有最大流速相差较大，原因是 ADCP 实际测量结果中没有最大流速，最大流速是从 ADCP断面图中人为选出的，不是软件计算出来的；手持式电波流速仪最大流速是历时为 20 s 的平均速度，不是瞬时流速。因此 2 个最大流速数据没有可比性。

通过比测试验，说明用手持式电波流速仪测流与 ADCP 测流，结果是一样的。

4 结语

Pro II SVR 手持式电波流速仪通过流速仪检定水槽的校准，在实际的中小河流野外巡测工作中，与传统的旋桨式流速仪、ADCP 进行比测试验，测流结果是一致，证明用手持电波流速仪直接测流，精度是满足要求的。

水文工作者习惯用电波流速仪测量表面流速，用相关性求出流量，由于在使用上受风的影响大，不同水位下相关系数不同，与流速仪比测误差偏大等，所以电波流速仪的使用受到影响。关于介绍电波流速仪在水文上应用经验[5]的文章，都是介绍测表面流速的试验。手持式电波流速仪在流速仪检定水槽的校准和用流速面积法测流量的试验，是第 1 次尝试。本文的意义在于为今后在中小河流巡测中广泛使用手持电波流速仪提供理论和技术上的证明。

在试验工作中，发现河流上的顺风和逆风、手持仪器的抖动对手持式电波流速仪测验精度有影响。为了减小外因对测流精度的影响，可以缩短雷达枪到水面的测量距离，减小风对仪器的影响；用三角架固定仪器测量，减小手持抖动的影响。只要注意这点，用 Pro II SVR 手持式电波流速仪在中小河流巡回测流完全符合要求；但对于水深超过 5 m 的大河测流，测流精度是否仍满足要求，目前还没有比测过，有待今后进一步的完善。

[1] 北京美科公司. 斯德克 Pro II SVR 手持电波流速仪[M].北京：美国 ACI 公司，2008: 2-3.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 11826-2002 转子式流速仪[S]. 北京：中国标准出版社，2003: 4-6.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 21699-2008 直线明槽中的转子式流速仪检定-校准方法[S]. 北京：中国标准出版社，2008: 6.

[4] 国家技术监督局，中华人民共和国建设部. GB50179-93 河流流量测验规范[S]. 北京：中国计划出版社，1993: 29-33.

[5] 李云中，宋海松，赵俊林，等. 电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用[J]. 人民长江，2003 (增刊 1): 25-26.