利用电波流速仪最佳性能进行流量测验的探讨

汪海洋

（河南省驻马店水文水资源勘测局）

1 概述

手持电波流速仪是用于明渠河道水面流速测量的仪器，主要特点是：仪器使用电磁波，频率可高达10GHz，属微波波段，在空气中衰减很慢，可以很好的在空气中传播，因此测速时可不必接触水体即可测得水面流速，不受水面、水内漂浮物的影响，也不受水质、流态等影响，配有背景光可以全天候作业，很适合洪水时的巡测和桥测方式。主要用于野外巡测以及决口、溃坝、泥石流等较大洪水情况下的流量测验，也是目前水文站较安全实用的备用应急测流设备。

2 工作原理及主要技术参数

2.1 工作原理

电波流速仪是应用微波多普列效应，根据发射波频率与反射波频率的关系转换出水体流速运动，利用岸上静止发射光束到水面，反应水体相对运动，达到水面测速的效果。仪器实测到的是视角光束面积内的水面平均流速。

2.2 主要技术参数

仪器波束视角12°，测程距离10 m 时，光束照射到平面的宽度是2 m；仪器最大有效测程50 或100 m（不同仪器标注）；平行水流方向视线水平夹角＞10°就会出现余弦误差，需要输入水平角度进行余弦补偿；仪器内含有垂直角度自动测量，可以自动余弦补偿，无需人工输入。

3 流速测验中参数的控制应用分析

3.1 仪器波束视角控制测量

技术参数光束视角是12°。根据说明书介绍，测程10 m时，光束宽度2 m。以此推出，测程100 m时，光束宽度应为20 m。

流速测量时，可以根据测验河段地形、环境、桥梁、水工建筑物等情况布设测验方案。依据仪器参数：最大有效测程100 m，相对于河道较窄（水面宽＜20 m）的情况，仪器光束覆盖水面宽范围较大，可以采用单测速垂线或少测速垂线测量，河道较宽的可采用均匀布设测速垂线的方法，提高测量精度。

3.2 菜单中选项意义及选择

bl背光灯（开/关）、c=余弦调整（0°至60°，增量为5°）、u=测量单位（USA=FPS，美国=英尺/秒；EUR=M/S，欧洲=m/s）、A=角度（垂直角度显示，仅报告）、SEN=敏感度（1～10，10 为最大敏感度，建议设置为05）。测量前保证各项参数正确设置，开始测量流速时将SVR 对准水面，扣动并松开扳机。可按水流方向或其反方向测量水面流速。如果想要更改显示器分辨率，请按MODE 按钮。速度可以10 ths 或100 ths 显示。如果在每个测量区间，出现超过0.15～0.24 m/s的波动，建议审核最终值。读数稳定一致则表明测量结果有效，因此建议出现大的波动时重新测量一次，保证结果的准确性。SVR 垂直角补偿不超过60°，使用时需要注意不要垂向倾斜过度。

3.3 仪器最大有效测程控制测量

测程的变化对流速测验影响主要有两个方面：一个是引起测速光束面积的大小变化；一个是影响测速固定断面的变化。

仪器实测到的是视角光束面积内的水面平均流速。单次流量测验中，不同测速垂线上采用不同视角光束面积测得的平均流速没有代表性，因此，单次流量测验中要求断面位置固定，各垂线测速光束面积相等。而测程的变化直接影响到光束面积的变化，引起流速测量的不稳定；测程的变化又影响到测速断面位置的不固定。因此，测量过程必须高度控制仪器的垂直角度（宜三脚架固定测量），避免测程变化影响到流速的测验，造成流量测验的误差。

3.4 水平角余弦补偿控制测量

仪器水平视角在10°以内误差很小，＞10°需要余弦补偿。仪器内无水平角度度盘，为了消除水平余弦误差，靠人工测量角度输入进行余弦补偿。

仪器架设至河道岸边（贴近水边）测量时，计算出仪器距离测流断面100 m时，夹角为9.60°，辐射断面最远垂线起点距为17 m；仪器距离测流断面50 m时，夹角为9.60°，辐射断面最远垂线起点距为8.30 m。也就是说，由于测程控制，测速垂线起点距（控制水平角度10度时）最远可达到17 m处，＞17 m就要有余弦误差，需要另外测量水平角度输入余弦补偿，影响精度；并且测程也会超限100 m，不符合测速技术要求。

所以，根据水平夹角及测程的技术参数限制，岸边测量仅适合于水面较窄（＜20 m）的河道明渠。因此，根据测验河段环境，利用桥梁及水工建筑物，在迎水面、顺水面测量可以使水平角度为0，减少了技术参数的限制，是电波流速仪测速最好的选择。

3.5 垂直角余弦补偿控制测量

根据仪器技术参数说明，俯角45°测量时，测量精度最佳，仪器自动垂直余弦补偿。

以利用桥梁测量为例，根据具体桥高状况，此次分析选取常见的3～15 m 之间高度，手持仪器高1.50 m，对应仪器距离水面不同高度（分级5～15 m），计算测速俯角、测程、固定断面位置之间的关系如表1、表2：

表1 仪器高-俯角-测程关系计算表

从表1 可以看出，最大测程（＜100 m）对应俯角为3～9°，不符合俯角45°仪器测量精度最佳要求，为了达到最佳测量精度，分别计算不同断面位置的俯角值，得出距桥10m处固定断面位置测量俯角最佳（26～56°），见表2。因此，电波流速仪利用桥梁测量时，测流断面位置宜选择桥上游或下游10 m处，做为流量测验的固定断面。

综合分析，手持电波流速仪流量测验适用于利用桥梁或类似桥梁的水工建筑物测量。水面较窄（＜20 m）的情况下，控制技术参数限制，根据测验环境可以采用岸边测量；水面较宽的情况下，不宜采用岸边测量，需借用桥梁或水工建筑物测量，控制技术参数限制。测流断面位置尽量选在测量俯角最佳45°处，根据具体情况分析避开桥梁或水工建筑物对水流的影响，提高测验精度，有效发挥电波流速仪在流量测验中的应用。

4 电波流速仪的系数比测方法

4.1 采用直接测速对比法

则得到电波流速仪本条垂线流速系数，可用下式计算：

式中字母含义同规定。

根据河宽及断面的转折合理分布垂线，得出每条垂线上电波流速仪系数。最后利用部分流量加权法计算出全断面综合系数。公式如下：

式中：qi—部分流量，m3/s；V电波—该部分流量得两条测速垂线测速时电波流速系数的平均值；Q—断面流量，m3/s。

4.2 采用实测流量对比法

此法是依照浮标系数率定进行比测。相比4.1简易可行。用电波流速选取若干垂线测出水面点流速，借用断面面积计算出虚流量；同步应用转子式流速仪测出同电波流速仪垂线处的垂线流速，借用断面面积计算出真实流量。两者之比值可得考虑各种因素的综合系数。

5 结论

先进的仪器需要先进的技术进行操作。任何仪器都有自身适应性，只有结合仪器特性，利用最佳测验性能才能充分发挥其优势。通过对电波流速仪最佳使用性能的分析讨论及系数率定，可以更有效地使用电波流速仪进行流量测验，提高流量监测精度，充分发挥非接触式仪器的灵活、高效、适应性强的特点，特别是在高洪期及溃坝、决口流量中的监测使用。