阜新地区电波雷达流速转换系数率定探讨

孙 颖

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘山 124000)

0 引 言

当前中小河流洪水成为防汛关注的重点区域，中小河流由于大都处于比较偏远的山区，没有驻站人员完成定期的流量测验，大都采取巡测方式进行流量测定[1]。中小河流洪水陡涨陡落，采用传统测流方式，洪水的时效性很难得到有效满足，常常措施洪峰观测的最佳时机[2]。为此如何提高中小河流巡测的时效性成为近些年来水文科研工作研发关注的重点问题，一些流量测定产品也逐步被研发和应用，这其中电波流速仪由于体积下，测定速率快，在许多地区中小河流水文巡测中得到应用，尤其是应急测流方面，应用覆盖面较大[3-9]。电波流速的测流原理在于通过对水流表面流速进行测定，建立表面流速和断面平均流速之间的转换系数，将表面流速转换得到断面平均流速，再将得到的断面平均流速和断面面积进行相乘得到通过断面的流量。电波流速仪能被正常使用的关键在于转换系数的确定，而电波流速仪的转换系数的确定在我国许多流域进行了分析和研究，通过分析表明该转换系数受河流特性影响较为明显，需要针对不同类型河流，通过对比观测方式，从而确定其流速转换系数。为提高阜新地区中小河流应急测流能力，文章通过对比观测方式对电波雷达流速转换系数进行率定，分析阜新地区的最佳流速转换系数。研究成果对于阜新地区中小河流监测时效性具有重要的支撑作用。

2 电波雷达的测流原理

电波雷达主要基于多普勒效应对水流表面流速进行测定，水面波动以及悬浮物都可以为电波雷达提供反射能量。电波雷达可对水流高速流转状态下的表面流速进行较为快速的测定。具体测流时，打开电波雷达的开光后朝向水面进行发射信号，即开始进行流速测定工作。初始发射时间维持在10s，此后每间隔5s进行1次观测，一般测流时间控制在1min以内，这段时间测定的是水面平均流速值。电波雷达由于重量较轻可以单人手持也可以架设在三角架上，此外电波雷达由于耗电量不高，可以实现5h以上连续工作，可满足多次测流的要求。电波雷达由于内置倾斜传感器，可以对水平改正较和仰俯角进行手动选择和自动改正，在异常天气条件下具有防雨淋的功能。

3 测流方式及站点概况

3.1 测流方式

电波雷达一般在测验河段上的桥梁进行流速测定工作，手持电波雷达在桥上对准水面目标进行信号发射，水流流向一般和电波雷达保持平行，首先在电波雷达的MENU键选择COS项对水平改正角度进行调整，调整初始水平改正角度为0°。将流速单位设置按照U项进行选择，改为为EUR(m/s)。将显示分辨率选择MODE键调整100ths，在具体使用电波雷达时，需要对雷达枪进行倾斜，且倾斜的俯角<60°。电波雷达顺着水流或者面向水流方向且保持在恒定的俯角位置对水体表面流速进行测定。

3.2 测站概况

文章选择阜新地区彰武水文站作为研究实例，彰武水文站位于柳河中游，流域面积4985km2，柳河发源于内蒙古库伦旗扣河子镇五星村，全长297 km，彰武站至河口距离为73 km，区间面积934 km2。流域地理位置为E122°10′05″-122°31′06″，N42°20′10″-42°50′30″。测验河段顺直长约2000m，河心有沙滩，枯水形成分流，流心摆动不定，洪水时比降大、淤柴多、含沙量大，最大河宽443m。基本水尺断面上游430m处有建站前修建的铁路桥一座。两岸土堤，河床为细沙组成，洪水时涨冲落淤，河床变化较大。彰武水文站不同时期水位值，见表1。

表1 彰武水文站不同时期水位值

4 精度评价方法

需要采用传统流速仪比测的方式对电波雷达的测验精度进行分析。通过布设多条测速垂线采用流速仪和电波雷达的比测方式进行检验，对各垂线平均流速和电波雷达测定的表面流速进行一致性检验。理论上，垂线平均流速和电波雷达测定的表面流速存在一个比值关系，即为水面流速系数，但在比测试验中由于存在一定的测验误差，使得各比测试验该水面流速系数大小不一致，该系数值越小表面两种对比观测仪器之间的拟合程度越高，说明电波雷达的稳定程度越高。一般情况下，在相同的断面面积下，传统流速仪和电波雷达测定的流量大小直接由流速大小决定。因此电波雷达稳定性评定的一个重要指标即为水面流速系数。流量定线的精度直接受到水面流速系数的直接影响。龙湾水文站为二类水文测站，因此采用河流流量测验规范要求，二类水文站电波雷达在95%的置信度水平下的随机不确定度<10%，则表明电波雷达测定的流速较为可靠的稳定性，满足流量定线的精度要求。

5 比测试验结果

5.1 流速横向分布检验

将对比观测中电波雷达和传统流速仪在同一位置进行流速的观测，分析电波雷达和传统流速仪的流速值，得到流速转换系数，对传统流速仪垂线平均流速和雷达枪表明流速进行分析，从而验证两种仪器流速横向分布的一致性。彰武水文站电波流速仪和传统转子流速仪流速测定对比结果，见表2。

表2 彰武水文站电波流速仪和传统转子流速仪流速测定对比结果

从对比结果可看出，在同一起点距位置电波雷达流速仪测定的流速均高于转子流速仪测定的流速值，这主要是因为电波雷达流速仪测定的水流的表面流速，而传统转子流速仪测定的是断面平均流速，一般而言表面流速要高于断面平均流速，因此电波流速仪测定的流速较为合理。在不同起点距下，电波流速仪和转子流速仪之间的转换系数总体在0.56-0.94之间，且横向分布具有同步性。各起点距的转换系数的均值为0.82，单次测验的不确定度为10.6，可满足河流流量测验的规范要求。

5.2 测验精度分析

通过对本站低中高水的进行8次对比观测试验，得出综合水面流速系数为082，为进一步验证系数的可靠性，建立雷达枪与流速仪水位流量关系。电波流速仪与转子流速仪水位流量关系分析结果，见表3。

表3 电波流速仪与转子流速仪水位流量关系分析结果

从电波流速仪测定的流量和转子流速仪测定的彰武水文站流量可看出，未将电波流速仪表面流速和断面平均流速进行转换前，彰武水文站采用电波流速仪测定的流量和传统转子流速仪测定的流量之间的误差>20%，不能满足河流流量测验规范的要求，规范要求测流误差需要控制在±20%以内。采用电波流速仪流速转换系数后，得到转换后的电波雷达流量，将电波流速仪测定的表面流速转换成断面平均流速，得到转换后的电波雷达测定流量，从转换结果可看出，转换后的电波雷达测定流量和传统转子流速仪测定流量之间误差在10%范围内，可满足河流流量测验的规范要求，转化后的电波测定流量和转子流速仪测定的流量之间的相关系数在0.7以上。阜新地区河流类型较为相似，一般为山区型河流，河流断面冲淤变化较大，在采用电波雷达流速仪进行流量测定时流速转换系数采用值为0.82，从转换后的水位流量关系看出，电波流速仪在高水位时水位流量关系一般较为稳定，而在低水位由于流速较小，电波流速仪测定的水位流量关系受外界影响因素较多，稳定性不高。

6 结 语

1)电波流速仪在阜新地区中高水位时，测定的流量和水位具有较好的稳定性，因此适合于阜新地区中、高水位河流的应急测流，而高流速下，电波流速仪的流速测定误差有所增高，因此建议在具体适用时，当水面流速>3m/s时，由于电波流速仪测流精度影响较大，建议可采用浮标法进行应急测流。

2)由于电波流速仪无法施测水深，只能借用断面计算流量，这就要求测验河段断面稳定。实际工作中，应正确选择测验河段，尽量避免环境因素影响，充分利用电波流速一完成高洪流量测验。