S3-SVR 型雷达波流速仪在泾河上游流域测验适用性分析

雒 仪

（甘肃省平凉水文水资源勘测局，甘肃 平凉 744000）

流量测验的目的是要获取江河径流和流量的瞬时变化资料，目前流量监测采用最多的方法为流速面积法，是通过实测断面上的流速和过水断面面积来推求流量的一种方法[1]。但由于目前实测流量的测验方法比较复杂，单次实测流量的工作量较大。为实现流量数据的自动采集、自动计算，减轻基层水文站的工作强度，提高工作效率。甘肃省水文水资源局先后引进S3-SVR 型无线雷达波流速仪20 余套，分别安装在甘肃省各国家级基本水文站。为验证雷达波流速仪测验精度，在泾河不同支流有针对性的筛选了两处水文站断面进行流量比测，根据《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）验证其测验数据的合理性是否能够达到参加水文资料整编的要求，并分析其适用性。

1 流域概况

泾河干流发源于六盘山东麓，河源处海拔高程2850 m 左右，河流由西南流向东北，经崆峒区、泾川县，在长庆桥处进入陕西省，在平凉市境内干流长132 km，杨家坪断面控制流域面积14124 km2，河道平均比降1.86‰，多年平均径流量7.79 亿m3。区域内测站断面多为卵石、砂砾石河床，中高水河宽由30 m～100 m 不等，洪水多由降水形成，洪水峰形为尖瘦形，涨落快，持续时间短，水位流量关系曲线中高水位相对稳定，低水位由于断面变化，主流摆动。

2 技术方案

2.1 雷达波测流系统简介

根据S3-SVR 型雷达波流速仪操作说明书，无线雷达波流速仪是参照我国水利行业标准《河流流量测验规范》（GB 50179-93），《水文缆道测验规范》（SL 443-2009）（5 缆道测流）开发研制的。2010 年3 月研制成功，实测结果表明无线遥控雷达波数字化测流系统搭建快捷、操作方便、测流迅速、流速数据准确稳定。

2.2 比测方案

雷达波流速仪是利用雷达波测得水面流速，然后采用实测或借用断面资料从而计算断面流量。因此，应与全断面浮标法、流速仪法同时进行比测分析，从而获得较为可靠的比测资料，具体比测方案如下，并按顺序进行。

（1）雷达波流速仪其雷达可转角度为0°～70°，不同角度下测得流速差值较大，因此应在河道流量稳定期间，通过设置不同雷达角度比测分析出符合泾河上游河道测流最佳角度，并确定水面流速系数；（2）雷达波流速仪的运行需架设跨河钢索，也可借用缆道钢索，因此是否能够准确运行至测速垂线位置，对后期的测速与计算至为关键，故需要进行起点距比测，确定其起点距修正系数；（3）在测验断面按照水位的高低划分高、中、低三个水位级别，分别于各级水位的稳定时段布置测次，使用雷达波流速仪与全断面浮标法、流速仪法同时进行测验。其单次测验水位变幅不得超过0.1 m，在比测实验前应对各仪器进行修理维护，确保同类仪器测得数据在误差范围内[2]。

表1 三种测验方法仪器主要技术指标

3 比测实验

3.1 雷达各角度下流速比测

选择在平凉、安口两水文站采用雷达波流速仪与LS25-1型转子式流速仪进行水面流速比测实验，在河道水流稳定的前提下于河道中泓位置布设一条测速垂线。雷达波流速仪分别以15°、30°、45°、60°施测，经过各角度下不少于10 次测量计算对应的水面平均流速。LS25-1 型流速仪采取垂线相对水深0.0 m 施测水面流速，进行不少于5 次施测并取其平均值为流速，应确保流速仪旋桨完全被水面淹没，且机身应对准流向。

表2 雷达波流速仪不同角度流速比测

图1 雷达波流速仪雷达角度与流速关系图

由表2 可知雷达角度与流速成正比，雷达角度越大测得流速越大。由图1 可见，两水文站雷达角度与流速趋势线基本平行且呈25°夹角递增，相关系数为0.9477，相关性较好。

通过分析实测数据可知雷达角度为45°时流速接近LS25-1 型流速仪施测值，但流速相对偏小，通过算术内插计算可得雷达角度为45°时，水面流速系数应为1.04。另外雷达波照射至水面的角度误差与河道比降相关，泾河上游地处六盘山东麓平均比降为17.4‰，各河道比降较为一致，此误差可以忽略不计。

3.2 起点距修正系数

雷达波流速仪依靠内部电机带动顶部齿轮转动，从而实现设备在跨河钢索上稳定运行。泾河上游河道宽度一般在50 m～150 m 之间，现有的跨河缆道钢索弧度根据距离的不同在10°～15°范围内。因此应对不同的断面缆道，分别比测确定仪器起点距修正系数。现以安口水文站为例，利用全站仪交会法分段测得仪器运行实际起点距，与控制端计数器显示起点距进行比测检验。起点距的定位误差不得超过河宽的0.5%，绝对误差不得超过1 m。仪器按测速垂线顺序运行，中途不可回车，以免因回转差积累产生系统误差，每次比测完毕后，应将设备返回起始点，检查计数器数值前后是否一致。

表3 雷达波流速仪运行修正系数比测表

由表3 可知，修正系数与运行距离成反比，修正系数越大设备运行距离越短。通过比测实验，平凉站缆道电机修正系数设置为1.16 时实际运行距离与计数器显示距离一致，满足误差要求。

3.3 流量比测

通过对雷达波流速仪雷达角度与运行修正系数进行比测，可以确保测得垂线水面流速的准确性，从而进行断面实测流量比测。以安口水文站为例，采用雷达波流速仪、全断面浮标法、流速仪法在高、中、低水位分别布设施测，采取统一测速垂线可以确保测流过程的相似性。比测时应确保河道水流的平稳畅通，不得有死水、回流、分流，高水位时无大量漂浮物。

（1）流速仪法测流在低水位时采用LS10 型流速仪人工涉水施测，中、高水位时采用LS25-1 型流速仪利用缆道施测。按照测速垂线在全断面均匀布设测点，采用相对水深0.6 m一点法测速，测点测速历时不应短于100 s。水深在低水位时采用人工测深杆施测，中、高水位时采用缆道测深[3]。（2）全断面浮标法采用一字型草把，按照测速垂线在全断面均匀投放浮标，利用全站仪交会法确定起点距，每条测速垂线应至少投放2个浮标，垂线水面流速采取两次投放的平均值。断面上下间距为100 m，时间读数精确至0.1 s，浮标系数选取实验值0.65，借用实测大断面计算水道断面面积。（3）雷达波流速仪测流，启动电脑端控制软件，连接发射天线至电脑USB 接口与仪器相互通信，将仪器安放置测验缆道起始点位置准备。调整雷达角度为45°，电机修正系数为1.16，选取借用的测验断面并设置测速垂线。各类参数调试完成后开始自动测流，流量测验过程中应随时观察设备运行状态。

表4 甘肃省平凉市安口水文站流量比测试验记载表

由表4 选取部分测验数据可知，雷达波流速仪测得流速接近传统转子式流速仪法，由于借用大断面的关系，最终计算流量与传统转子式流速仪法有些许误差，满足流量测验规范对误差的要求，无线雷达波流速仪受其影响测验精度的要素少于全断面浮标法，所以其测验精度高于全断面浮标法。

4 结论

通过对S3-SVR 型雷达波流速仪的雷达角度、运行起点距、流速比测等三个方面进行测试分析，相比转子式流速仪法与全断面浮标法，雷达波流速仪测验全程自动化，历时短，测验精度符合规范要求。满足泾河上游流域水文特性与流量测验及时性的要求，能够快速准确的测得流速数据。受限于雷达波流速仪运行必须依靠跨河钢索，无法用于野外水情应急监测，可在有条件的水文站替代全断面浮标法，并为甘肃省水文监测改革和突发性洪水测验提供先进的设备支持。