手持电波流速仪在水文站的应用

□杨 芳

（黄山水文水资源局）

1 概述

随着水文技术逐步现代化，流量测验设备层出不穷，如ADCP、电波流速仪等，并得到广泛应用。其中电波流速仪是一种非接触水面式的。利用多普勒原理测得水面流速的仪器设备，测验安全、时间短，且适用于水情复杂的水面流速测验，流速越快，波浪越大，反射信号就越强，所以更适用于高洪测验。

针对手持电波流速仪STALKER Pro II SVR 在屯溪水文站的应用，进行了比测分析。屯溪水文站是新安江干流上游的主要控制站，国家基本水文站。该站属山区性河流，河道坡度大，有“四大、两快、一短”的特征，即：流速大、冲刷力大、含沙量大及破坏力大，洪水过程涨得快、落得快、历时短。确定手持电波流速仪的稳定性，率定出其系数对该站今后工作的开展起到很重要的作用。

2 工作原理及主要技术参数

2.1 工作原理

电波流速仪是一种利用多普勒原理的测速仪器，该种仪器采用微波波段的电波，工作时电波流速仪发射微波到需要测速的水面上，再接收水面的反射波，测出发射信号和反射信号的频率差，即可算出水面流速。计算公式如下：

式（1）中：fD—发射信号和接收信号的频率差；f0—发射信号的频率；f1—接收信号的频率；V—水面流速，m/s；C—电波在空气中传播速度，m/s；θ—发射波与水流方向的夹角，由俯角和方位角合成。

2.2 主要技术参数

电波流速仪屏幕可同时显示瞬时流速、平均流速、测速历时、回波强度、流速方向和发射状态。其主要技术参数见表1。

表1 电波流速仪主要技术参数表

3 比测成果

3.1 比测情况

2016-2019 年在基本断面与电波流速仪断面进行现场比测，电波流速仪断面在基上95 m 处。比测时转子式流速仪或走航式ADCP 在基本断面测验，同时电波流速仪测验人员上桥，以桥梁标志进行起点距定位，手持电波流速仪对准桥上游断面进行测验。

3.2 比测资料分析

因电波流速仪断面与基本断面水流均受桥墩影响，流速横向分布不能对应，故选择流量作为研究对象。以转子式流速仪、走航式ADCP 所测流量为真值，而电波流速仪流量为虚流量。流速0.70 m/s 以上电波流速仪测验较为稳定，故选择在中、高水时进行比测，比测共实测流量31组。

采用算数平均法分析成果见表2，电波流速仪系数最大为0.95，最小为0.82，多次平均为0.88。测流误差最大为7.25%，系统误差为0.12%，随机不确定度为6.28%。随机不确定度、系统误差均符合GB 50179-2015《河流流量测验规范》比测要求，基本满足生产需求。

表2 电波流速仪比测成果表

点绘电波流速仪-走航式ADCP、电波流速仪-转子式流速仪流量相关关系图（见图1），得出相关方程为y = 0.88x，R2=0.99，为显著相关。

综合上述两种比测分析方法，确定屯溪站电波流速仪系数为0.88。由近两年的使用情况看，用电波流速仪所测流量乘以该系数与使用走航式ADCP、转子式流速仪测得的流量呈一系列，无系统偏离，故系数0.88可应用于今后的测流工作中。

4 体会

电波流速仪因为是手持式，所以极易抖动，很难保证每次测速点的一致性。因此应尽量放在三脚架上，或者借助可以固定角度的工具，以便准确测到测速点，消除人为因素影响，确保测量精度。

两岸有时会有较大脉动，为消除影响，可以延长测速历时，或多测几次，经分析之后可采用平均值作为相应测点流速。

图1 电波流速仪水面系数相关图

电波流速仪探头沾到水后，所测流速误差大，所以对于探头要做相应的防水措施；应尽量避免在雨天测验，因雨滴垂直向下运动，会被探头接收对数据产生干扰。经该站多次测验总结，雨天测验结果均偏大。

电波流速仪低流速信号差，且受风影响大，该站在流速达到0.70 m/s以上较为稳定，更适用于中高水的测速。

仪器发射雷达波有12°的波束角，发射波呈椭圆状发散在水面，其椭圆形区域大小与测程、雷达波发射角有关，测得的水面流速是椭圆形区域的面平均流速。与转子式流速仪所测点平均流速，走航式ADCP 所测断面流速原理不同，这将产生一定的误差。

岸边测速时，流速计算需用到水平角的余弦，为尽量减少因水平角产生的误差，可在桥上多垂线测验。而桥下游水流流态受桥墩扰动影响，建议测验断面选在桥上游。

5 结论与建议

手持电波流速仪STALKER Pro II SVR 在屯溪水文站应用中基本满足生产需求，在中、高水条件下，可代替转子式流速仪、走航式ADCP 进行测验，测验质量满足规范要求。在不同测验河段及断面情况下，系数可能不同，建议把握测流时机，合理均匀布置比测次数，增加比测资料，提高测验精度及系数的准确性。同时河道特征如有较大变化，应重新校测。