电波流速仪在韩府湾站的应用分析

马军

摘  要：文章通过对山洪沟道流量测验中，使用斯德克电波流速仪（SVR-V2.0）和浮标法同时比测水面流速，对比分析结果表明，斯德克电波流速仪与浮标法同步施测的水体表面流速相对误差符合水文测验规范中对流速测验的要求，因此电波流速仪的稳定性和实用性得到验证，解决了韩府湾水文站中高水流速测验的难题。

关键词：斯德克电波流速仪;韩府湾水文站;比测应用分析

中图分类号：P335.1         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0184-03

Abstract： In this paper， in the flow measurement of mountain torrent channel， the velocity of water surface is measured by Stalker PROⅡ SVR-V2.0 and buoy method at the same time. The results show that the velocity of water surface is measured at the same time. The relative error of the surface velocity of water measured synchronously by the Stalker PROⅡ SVR-V2.0 and the buoy method meets the requirements of the hydrological test specification for the velocity measurement， so the stability and practicability of the radio wave velocimeter have been verified. Thus， the difficult problem of medium and high water velocity measurement in Hanfuwan Hydrologic Station is solved.

Keywords： Stalker PROⅡ SVR-V2.0; Hanfuwan Hydrological Station; comparison and application analysis

1 概述

韓府湾水文站设立于1959年2月1日，位于宁夏中卫市海原县李旺镇韩府湾村，集水面积为4935km2，至河源138km，至河口181km，河床平均比降14.9万分率，属于黄河流域宁夏境内清水河中游重点流量、泥沙等控制水文站，地理位置属黄土丘陵沟壑区半干旱向干旱区域过渡代表站。历史实测最大洪峰流量1500m3/s（1995年8月5日），多年平均径流量5620万m3，最大含沙量为1240kg/ m3（1966年8月10日），全年洪水主要集中在主汛期7月至8月，占全年总径流量的50%。目前，该站测验方式是低水采用涉水流速仪测速，中水采用查线推流的方法报汛，高水采用水文缆车测深、电波流速仪或中弘浮标法测速。电波流速仪施测流速的原理为无接触水体的测流方式，不受水面漂浮物的影响，且具有操作安全，携带方便，测量精度高，流速测量瞬时显示，符合抢测山洪沟道陡涨陡落的测速条件，因而韩府湾水文站施测洪水采用电波流速仪测速成为目前为止最为合适的测速替代工具。

2 电波流速仪及浮标的测量原理及技术指标

2.1 测量原理

2.1.1 电波流速仪

电波流速仪的突出特点是专门开发的智能水面回波频谱分析算法，具有水流方向选择功能，有效排除与水面流速无关的干扰信号，适应各种复杂波浪环境，测量的水面流速稳定可靠。仪器采用高速 DSP芯片处理水面多普勒回波，同时加大微波发射功率，标准发射功率从10 mw增加到50 mw，流速测量精度达到厘米级，经实测，距水面最大有效测程达到100m，可以在强降雨环境中进行流速测量，且仪器本身的大屏幕 LCD显示器同时显示水面流向、瞬时流速、测量历时、回波强度和平均流速，测速操作过程简单，结果一目了然，且测速计时分辨率为0.1秒，最大测速历时可以记至100秒以上，总历时能够即时显示，符合水文测验规范。

电波流速仪是通过电磁波遇到河道水流表面时发生回波反射，在不同介质、水体表面波源、测量者之间发生相对运动而引起电磁波频率改变原理研发而成。在测速时，水体表面波源与仪器探头保持固定不动，水流相对运动而引起水面反射波频率改变，且改变量的变化，与水体表面流动的相对速度有关。发射率与反射率的频率差值，就是多普勒频率，用数学公式表示为：

式中fd=|f0-f1|，f1=c·？姿，fd=2f0·V·c·cosθ，fd为多普勒频率， f0为发射频率，f1为接收到的回波频率，V为水体表面流速，c为电磁波在空气中的传播速度，λ为发射波波长，θ为发射波与水面方向夹角，由方位角与俯角构成。

当电波流速仪雷达波锥度角为12°，距水面10m时波束覆盖范围约为直径两米的圆形区域，显示该面积内的平均流速，测得的流速数据大小与离水面的测程、雷达波锥角度有关。因此，电波流速仪测量的水面流速是面积内圆形区域的平均流速，旋浆式流速仪测得的是点平均流速，其原理不同。

2.1.2 浮标法

采用麦草或木质材料制作成浮标，用投放器将浮标均匀投入河流中，上断面值守人员发出浮标开始时间，中断面测得每个浮标经过中断面的起点距位置，下断面观测人员测得浮标流动的历时，根据其运行历时计算流速，用数学公式表示为：

式中 Vfi-第I个浮标的实测浮标流速（m/s）;

Lf-浮标上、下断面间的垂直距离（m）;

ti-第I个浮标的运行历时（s）。

通过点群重心勾绘一条浮标流速横向分布曲线，从浮标流速横向分布曲线上查读出不同位置的水面虚流速。

2.2 主要技术指标

斯德克电波流速仪的主要技术指标见表1。

3 电波流速仪比测试验分析

3.1 测点流速误差分析

本次文章共收集韩府湾水文站2018年8月14日～15日中高水不同流量级水面流速比测资料85组。在比测时，同时在每条垂线上进行斯德克电波流速仪和浮标同点水面流速测量，对变化较大的异常数据或在桥上测量时，受行人、车辆、河边随风摆动的植物等干扰影响的单点数据进行分析和舍弃，比测分析见表2。

由表2可知，在全部测次85中，有45次电波流速仪测点流速小于浮标，占52.9%，有63.1%的测次误差在±5%以内，有81%的测次误差在±8%以内，有85.7%的测次误差在±10%以内。

3.2 相关关系分析

通过点绘电波流速仪与浮标所测水面流速的关系曲线图，建立两变量组之间的回归方程，分析其相关关系，见图1，得出数学公式为：y=0.921x+0.112，其中x为斯德克电波流速仪实测值，y为浮标线性理论值，相关系数R2=0.975，为显著相关。

4 结束语

（1）从实际水面比测数据情况得知，电波流速仪与浮标有85.7%的测次误差在±10%以内，两者有显著的相关关系，说明电波流速仪在山洪沟道陡涨陡落的洪水流速实测中性能比较稳定。

（2）电波流速仪若按照使用说明书中在中高水使用中规定垂直角最佳取值为45°左右时，所测数据误差较小，若在降雨强度较大的时候应设定为60°，否则产生的偏差较大。但根据中高水实际测量应用中验证得到，当流量较小时或水面过于平稳时，应尽量调整电波流速仪高度，离水面越近，测得数据越准确。浮标法测速由于水面流向不固定，浮标分布不均匀或有效浮标过少，导致浮标在水体表面的流速横向分布曲线不准;浮标制作的人工误差、运行的记时误差;风向、行人、车辆、河边随风摆动的植物等对浮标运行的影响误差，种种情况表明浮标测速误差来源要多于电波流速仪。

（3）电波流速仪作为水文测验信息化发展中的一种新型测验仪器，目前在宁夏各水文站流量施测中得到了较为广泛的应用，大大减轻了人员的工作强度，提高了测流成果的时效性，为抢测洪峰、山洪沟道流域洪水预报和防汛指挥调度增加了预见性。

（4）由于电波流速仪在岸边操作，对于陡涨陡落的山区河流，受断面垂直流速分布和断面河宽的变化影响，其流速的测速质点失去代表性，引起数值失真，因此对电波流速仪的应用推广还需在理论和实际应用中不断进行研究探索，使其更好地服务于水文现代化事业。

参考文献：

[1]SL337-2006.声学多普勒流量测验规范[S].

[2]GB50179-93.河流流量测验规范[S].

[3]SL247-2012.水文资料整编规范[S].

[4]李光錄，王秀莲.电波流速仪在青海三江源区水文监测中的应用[J].人民长江，2010，41（14）：48-50.