电波流速仪的应用及比测分析

郭 成

（运城市水文水资源勘测分局，山西 运城 044000）

1 大庙水文站概况

大庙水文站位于夏县瑶峰镇大庙村，属于黄河流域黄河水系，为白沙河小流域控制站，属小河站，集水面积55.9km2。主要承担水文测验、水情报汛、降水量观测、墒情测验等工作任务。1956年6月设站，测验断面位于白沙河下游南山底，站名为南山底站；1976年5月因修建白沙河水库，测验断面上迁约2.5km，站名为南山底（二）站；1977年6月上迁3km 至大庙村，站名为大庙水文站。站房于2011年7月改建，采用标准化站房设计，建筑面积203.96m2。

测验河段河道较顺直，断面为宽浅断面，主槽宽50m，滩宽18m，左岸为土质陡岸，大水时易坍塌，右岸为土质台地；基上80m 处有一小支流汇入。左岸引水渠2002年1月1日设立观测断面开始观测，断面名为大庙（左渠）。右岸引水渠2002年1月1日设立观测断面开始观测，断面名为大庙（右渠）。

2 流速仪测流应用

电波流速仪是一种水面流速测试仪器，优点是可以不接触水面进行远距离测流，比旋桨流速仪更加精确稳定。旋桨流速仪在测流过程中，遇到泥沙、水草等不利因素无法测试。所以，在水情复杂，水流较大，含沙量、水面漂浮物较多以及普通转子式流速仪无法入水等特殊水情下，优先选择电波流速仪，此外它测量速度快、精度高，携带方便且操作安全。

2010年以来，上级单位先后为各测站、应急监测队配备了电波流速仪，并在大庙、城市等水文站，用电波流速仪与传统的LS 25-1 型旋桨流速仪，进行了水面流速比测试验。经过多次比测，各项条件满足生产需求，电波流速仪的性能及测速准确性均在规范范围内，同时已在各水文站投放使用。在使用过程中出现的问题是，部分测站人员在使用电波流速仪进行测流时，选择浮标系数代替电波流速仪系数，结果测流精度受到了影响。为更好地应用好电波流速仪，保证测试精度，通过比测试验及理论分析，找到各级水位下的电波流速仪系数，避免再使用浮标系数。

3 测量原理及技术指标

电波流速仪由探测器、数据处理器和电源三部分组成。电波流速仪的工作原理是，通过发射电磁波信号，利用水面回波，结合测算的电磁波基准信号的多普勒频率差，计算流速信息，然后依据雷达多普勒效应，利用连续的雷达波来确定回波的相位信息。

测试时，通过雷达发射电磁波信号，电磁波经过水面反射后被雷达接收，由于水面流动造成电磁波频率一定的偏移，通过偏移量和多普勒频率方程计算水面流速。测点水面多普勒流速计算公式：

式中：fd——多普勒频率；

f0——发射频率；

f1——接收到的回波频率；

v0.0——水面流速，m/s；

c——电波在空气中的传播速度，s；

θ——发射波与水流方向的夹角，°。

实际应用中，Pro II SVR 手持式电波流速仪测流指标范围：测速范围为0.20～18.00m/s，精度为±0.03 m/s；波束宽度设置为12°；计时范围为0～99.9 s，计时精度0.1 s；微波功率50 MW；工作温度-30℃～70℃；工作频率为Ka 波段（34.7 GHz）；最大测程为100m（4 级灵敏度可调）。

4 电波流速仪系数试验

4.1 流量比测方法

大庙水文站电波流速仪系数试验，开始于2016年，共计进行流量比测试验12 次，其水位变化范围为6.94～7.22m，流量变幅为0.100～1.47m3/s。

电波流速仪系数比测方法：第一，用LS 25-1 型旋桨流速仪在测速垂线上0.6 相对位置，测验垂线平均流速；在相应测速测深垂线处，用电波流速仪测量水面流速，在测量过程中适当加大测深测速垂线密度。第二，分别用LS 25-1 型旋桨流速仪、电波流速仪的测量成果，计算断面流量，以及电波流速仪虚流量。第三，用LS 25-1 型旋桨流速仪所测断面流量、电流波速仪所测得的虚流量，计算出该次比测试验的电波流速仪系数。

式中：Kn——电波流速仪系数；

Qi——电波流速仪流量，m/s；

Qci——LS 25-1 型旋桨流速仪流量，m/s。

为保证电波流速仪实验的系数具有的代表性，需要在不同天气及不同水情条件下进行对比测试，比测成果详见表1。

表1 2016年大庙水文站电波流速仪系数试验成果表

4.2 电波流速仪系数分析

通过12 次电波流速仪系数试验，由电波流速仪虚流量和计算断面流量比得出，最大系数为0.84，最小为0.53。以LS 25-1 型旋桨流速仪施测的断面流量为真值，计算电波流速仪施测流量的相对标准差，和相对不确定度，并进行误差分析。其中，相对标准差公式为：

式中：Se——相对标准差；

Qi——电波流速仪流量，m3/s；

Qci——LS 25-1 型旋桨流速仪流量，m3/s。

式中：X′——不确定度；

Se——相对标准差。

计算得相对误差平均值为1.18%；将表2 数据代入公式（4）、（5）计算得，电波流速仪测量的相对标准差为15.12%，相对不确定度为30.24%。

表2 2016年大庙水文站电波流速仪测流误差计算统计表

电波流速仪矫正系数计算公式为：

Ki——电波流速仪单次系数；

n——系数总次数。

经电波流速仪比测试验，将表1 中电波流速仪系数代入公式（6）计算得出，大庙水文站电波流速仪矫正系数为0.66。

5 结论与建议

实验结果显示，大庙水文站的电波流速仪矫正系数为0.66，此系数不仅可应用于本站电波流速仪的测试，其他水文站的电波流速仪测流也可作为参考。在电波流速仪使用及其矫正系数的比测试验中，总结了以下几点注意事项：

第一，电波流速仪对工作环境的温度要求不能低于0℃，使用的环境温度应在0℃～45℃之间。

第二，在进行测流实验时，采用俯角进行电波流速仪的水流速测试，有时会出现异常情况，如测流不稳定，当出现这种情况后，调整俯角角度进行更正后继续测量。

第三，测试过程中应注意水面的流速，如果水面过于平静，就会导致回波非常弱而测不到流速，在测流过程中应尽量贴近水面，低流速也会影响到测程，只有流速大于1m/s 时，能使测程达50m。水面漂浮物、波浪大可以更好的进行测试，得到的数据也会非常稳定，测程也更大，最大测程可达100m。

第四，距水面1m 以内时，可测到0.10m/s 的流速，甚至更低。在大风天使用电波流速仪时，还应考虑风的影响；低流速时，风对水面流速影响明显。

第五，雨天测流时，降水对测验准确度有一定影响，可调整降雨参数，强降雨时，若测不到流速数据，可降低该值，若显示降雨速度在5m/s 以上时，则增加该值，同时加大俯仰角度，同时采取保护措施避免雨水溅落到探头上。

第六，本次比测的12 场水均为中低水，流速在垂线上的分布极不均匀，率定的电波流速仪系数偏小。该系数有待在以后大洪水测验中不断调试。