电波雷达在营口地区中小河流应急监测的适用性探讨

李 升

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

0 前 言

电波流速仪由于体积小，测流时效性强，近些年来在国内许多地区得到推广和应用[1-6]。电波流速仪的测定原理是基于多普勒效应通过测定河流表面流速，并建立表面流速和断面平均流速的转换关系，推求断面平均流速，在结合施测断面面积，得到断面流量[7]。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[8]。此外电波流速仪要在区域中小河流应急监测中得到应用，需要对其表面流速和断面平均流速的转换关系进行分析，确定转换系数，才能有效的应用电波流速仪在中小河流应急监测中得到应用[9]。为在营口地区中小河流中采用电波流速仪进行应急监测，采用对比观测试验的方式，即在同一位置同时采用电波流速仪和传统流速仪对流量进行观测，结合河流流量测验规范GB50179-2015通过测验误差判定其最佳的流速转换系数。研究成果对于营口地区中小河流洪水应急监测的方式具有重要的参考意义。

1 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，打开电波雷达的开关后朝向水面发射信号，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进行一次观测，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单人手持也可架设在三角架上，此外电波雷达由于耗电量不高，可以实现5h以上连续工作，能满足多次测流要求。电波雷达由于内置倾斜传感器，可以对水平改正角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。

2 测流方式及站点概况

2.1 测流方式

电波雷达一般可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，且倾斜的俯角低于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。

2.2 测站概况

熊岳水文站位于熊岳河下游，地处盖州市熊岳镇铁东街，E122°08′50″，N40°09′49″，集水面积307km2，断面以上河长为31.9km，主河道比降为6.3‰。主要支流有熊岳河，流域形状系数为0.302。区域内共有3个雨量站，分别是鲍家屯、八道河、熊岳，平均每站控制面积为102.3 km2。

3 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同时采用流速仪和电波雷达进行测验。按照河流流量测验规范GB50179-2015要求，电波雷达测定的流量和传统流速仪测定流量的误差低于20%，则表明电波雷达测定的流速较为可靠的稳定性，满足河道流量测验的精度要求。

4 比测试验结果

4.1 流速横向分布检验

将电波雷达和传统流速仪在同一位置进行流速的观测。点绘电波雷达和传统流速仪的流速横向分布。对传统流速仪垂线平均流速和雷达枪表面流速进行分析，从而验证两种仪器流速横向分布的一致性，分析结果如表1所示。

表1 熊岳水文站电波流速仪和传统转子流速仪流速测定对比结果

对比观测的方式主要是通过在同一位置采用电波流速仪和传统流速仪进行对比观测，熊岳水文站断面宽度为200m，为此对比试验间隔20m起点距进行一次对比观测试验，共计进行11组对比观测试验，从对比试验结果可看出，随着起点距的增加，电波雷达流速仪和传统转子流速仪测定的流速具有较好的横向分布，即在同一位置，转子流速仪测定流速较大其电波流速仪测定的流速也较大，总体电波流速仪测定的流速高于转子流速仪，这主要是因为电波雷达流速仪测定的是河流表面流速，表面流速要高于断面平均流速，因此其转换系数一般低于1.0，综合对比11组比测试验，熊岳水文站电波雷达流速转换系数综合值为0.84，从其确定度分析结果可看出，不同观测试验次数下其不确定可在河流测验规范GB50179-2015要求，单次不确定度为10.4，可见综合率定的熊岳水文站电波雷达流速转换系数可满足河流流量测验的规范要求。

4.2 测验精度分析

通过对该站低中高水的进行8次对比观测试验，得出综合水面流速系数为0.84，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。结果见表2。

表2 熊岳站电波流速仪与转子流速仪水位流量关系分析结果

从不同水位下的电波雷达流速仪转换流量可看出，其和传统转子流速仪之间测定的流量误差均可在20%以内，满足河流测验规范GB50179-2015的测流误差要求。对于电波雷达流速仪而言，环境的差异也可能导致不同的情境出现，从而导致显示错误的速度。例如，目标工作范围内外有干扰信号等。电机产生的EMI干扰，无线电频率干扰，其它电子设备干扰，都会导致目标速度错误。对于营口地区中小河流流速速度0.2-0.7m/s的水流，风雨雪的影响极大，所以电波流速仪对于营口地区高洪流量的测验比较适用。此外，电波雷达测速时间可短些，流速小时，测速时间应长些。常规下，流速>1m/s时，测速时间可在 20-30s；流速在0.5-1.0m/s时，测速时间可在30-60s；流速<0.5m/s时，测速时间可在60-90s。

5 应用结论

1)通过比测分析，电波雷达在营口地区中小河流流量监测具有适用范围，一般当表面流速高于0.7m/s的水流，外界干扰对电波雷达测定精度影响较小，可采用电波雷达进行测流，其转换系数可设置为0.84，仪器适用于营口地区高洪应急监测；

2)电波流速只测定流速，而不对断面水深进行观测，因此在实际应用过程，应尽量选择顺直且断面冲淤变化较小的河段进行测流，尽量降低环境对电波雷达产生的测流影响。