手持电波流速仪水面流速比较测定试验与分析

任六平

（吕梁市水文水资源勘测分局）

发生暴雨洪水时河道流速的测定，是一项非常重要的工作，对于正确预测洪水流量及发展趋势、制定防洪预案、抗洪减灾，意义重大。传统的测流方法，危险性较大。为了探讨新的替代性测流方法，我们应用从美国引进的手持电波流速仪，与相对传统的转子式流速仪一起，在双家寨水文站进行了比较测定试验。

1 测站概况

1.1 历史沿革

位于交城县会立乡双家寨村中西河上的双家寨水文站，原名岔口水文站。1957年，山西省水利厅在文峪河流域设立了石沙庄水文站；1965年1月，该站下迁5 km至下长斜村，改名下长斜水文站；1965年4月，再次由下长斜下迁5 km至岔口村，更名为岔口水文站；2012年6月，因修建柏叶口水库上迁至双家寨村，更名为双家寨水文站，现属于吕梁市水文水资源勘测分局管辖。

1.2 测站流域水文下垫面状况

双家寨水文站，地理坐标为东经111°37′，北纬37°40′。站址以上集水面积357 km2，主河道长度35.8 km，主河道纵坡12.8‰，流域形状系数0.276。

该站为变质岩森林山地的区域性代表站，既是当地防汛抗旱、水利建设的“耳目”，也是水资源管理的“前哨”与“尖兵”。该站水文下垫面产流地类共有3种，分别为：变质岩森林山地，面积346 km2，占集水面积96.9%；变质岩灌丛山地，面积10.6 km2，占集水面积3%；灰岩森林山地0.4 km2，占集水面积0.1%。

1.3 流域降水径流

据多年观测资料，该站流域年均降水量564.3mm，最大年降水量857.4 mm（1964年），最小年降水量336.9 mm（1965年）。年最大24 h暴雨均值50-55 mm，单站最大24 h点暴雨值124.3 mm（1970年7月10日）。20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇暴雨洪峰流量分别为325 m3/s、483 m3/s和610 m3/s。

2 手持电波流速仪测流原理与主要技术指标

手持电波流速仪测流速时，首先向水流方向发出无线电波，当电波的能量撞击水面时，波能量的一小部分返回到雷达设置天线，雷达设备根据发射和返回信号频率的不同，确定水流速度。

美国ACI公司生产的斯德克手持电波流速仪（Stalker II SVR）专门用于水面流速测量。该仪器自带角度改正，具有全防水设计，可在雨天使用，显示方式为双排LCD同时显示瞬时流速、平均流速、测定历时、回波强度和流速方向。其主要技术指标：①测速范围0.20-18.00 m/s，精度±0.03 m/s；②计时范围0-99.9 s，精度0.1 s；③波束宽度12°；④微波频率34 GHz；⑤最大测程100 m。

3 比测试验方案

双家寨水文站测验河段较顺直，河床由沙卵石组成，冲淤变化不大，基下约150 m处有一座5孔石拱桥，断面左右岸为耕地。手持电波流速仪比测试验，在水文测验的测流断面上进行。该比测试验，采用手持电波流速仪与转子式流速仪同步进行比测。在各次比测试验中，两种流速仪选取的测速垂线相同，断面面积相同，由实测流速分别计算得出断面流量，并对两者进行回归分析，推导出手持电波流速仪水面流速系数。

具体分两组进行：转子式流速仪一组负责测深、测距、测速；电波流速仪一组负责借用转子式流速仪测流的水深、起点距，然后将电池充满电后插入手柄电池盒内，按下电源键，瞄准目标，扣动扳机，读取流速值，高效且安全的完成测验任务。

测速垂线布设，按照该站原测流方案布置。施测方法：低、枯水时采用涉水施测，中、高水时采用水文缆道施测。测点测速历时：转子式流速仪测速历时不少于100 s；手持电波流速仪测速历时为10 s，取三次较接近的数据平均值作为测定的流速值。测点流速位置分布：手持电波流速仪采用水面一点法，转子式流速仪采用0.6一点法。测深、测速要求必须一一对应。

4 比测成果及分析

4.1 比测成果

双家寨站手持电波流速仪比测试验在2015-2017年5-9月进行。由于近年来上游来水较少，共得到比测流量资料15份（结果见表1）。

表1 手持电波流速仪比测试验及残差输出成果表

4.2 比测成果分析

对手持电波流速仪虚流量与转子式流速仪流量（近似真值）进行回归分析，结果见表2、表3和图1。从表2及图1可以看出，两者所测流量的回归方程相关系数为0.999。从表3可以看出，回归模型的常数项（截距）为0，自变量（手持电波流速仪虚流量）的回归系数（斜率）为0.806，回归系数的显著性水平（P）为2.2E-20＜0.0001，置信度达到99.99%以上，即检验假设“回归系数b=0”成立的概率为2.2E-20，从而拒绝原假设。说明因变量（转子式流速仪流量）和自变量（手持电波流速仪虚流量）的线性关系是非常显著的，建立的线性模型是恰当的。在琢=0.05的显著性水平上，回归系数（b）的变化极限为0.785＜b＜0.826。因此，可以得出回归模型为：

式中：Q流为转子式流速仪流量；Q电为手持电波流速仪虚流量。

由于转子式流速仪与手持电波流速仪为同断面、同垂线，所以，上述公式可以等同为：

式中：V流为转子式流速仪流速；V电为手持电波流速仪虚流速。

采用上述公式计算，通过电波流速仪所测得的水面流速，即可得到相应的垂线流速。再借用相应水位的实测大断面，即可推算出此断面流量。

表2 回归统计表

表3 回归参数表

图1 手持电波流速仪虚流量与转子式流速仪流量关系图

5 结论及建议

5.1 结论

通过在双家寨水文站应用手持电波流速仪进行水面流速测量试验与分析，可得出以下结论：

（1）手持电波流速仪因不接触水体，测速时不受含沙量、漂浮物影响，也不受水质、流态等影响，具有操作简单、测定时间短、测流速度快等优点，所以，很适合暴雨洪水时流速测量。

（2）手持电波流速仪质量比较可靠，在一定流速范围内，可以代替浮标完成流量测验，其精度能满足水文测验规范要求。

（3）手持电波流速仪所测定的水面虚流量流速偏大，与实际流量的换算系数为0.806。

5.2 建议

一般情况下，电波流速仪低速测量性能不太好，流速测量范围的低速端常在0.5 m/s左右。为了得到较强的水面波浪迎波面的回波，要求能有较强的波浪。所以，电波流速仪不能完全代替常规的流速仪测流。