电波流速仪在中小河流应急监测中的应用

梁秋明

（来宾水文中心，广西 来宾 546100）

1 电波流速仪概述

1.1 工作原理

比测仪器使用SVR（德卡托）电波流速仪。SVR（德卡托）电波流速仪是利用雷达多普勒效应，以无接触的方式测量水面流速，并通过对水面系数的换算得到河流流量，是专为测量水面速度而设计的一种新型仪器，适合于溪流及中小河流的测量工作。

工作原理主要由电波流速仪探头发出一个微波能量束（无线电波），当这个波的能量撞击水面时，波能量的一小部分返回到雷达设备天线，返回信号的频率变化与目标速度成比例，根据发射和返回信号频率的不同，测定水面流速（见图1）。参照均匀浮标法，测定多条垂线的水面流速，按照流速面积法计算断面虚流量Q虚，乘以断面平均水面流速系数，得到断面流量Q实。

图1电波流速仪测速示意图

1.2 应用条件

测量时俯角（见图2）不要大于45°，水平角不大于60°，由于内部倾斜传感器很灵敏，测量过程应保持电波流速仪姿态稳定、不震动，尽可能接近水面，精度会更高（因为电波流速仪接收返回信号的强弱，和探头、水面距离以及波浪大小有直接关系）。

图2 俯角定义示意图

1.3 主要技术指标

测量范围0.2～18 m/s；测量精度0.1 m/s；发射角12°；环境温度-30～+70℃；电波频率34.7 GHz；功率50 mW。

2 比测断面概况

比测在七洞水文站进行，七洞水文站是专用水文站，为三类精度水文站，位于红水河一级支流北之江中上游，于2016年建成，集雨面积988 km2，监测项目有水位、雨量、流量。实测最高水位145.62 m，最低水位142.77 m，多年平均水位143.30 m，警戒水位146.0 m，河道平均坡降2.59‰，易形成水面波浪。

走航式ADCP监测断面位于七洞水文站基本水尺断面，电波流速仪监测断面设在公路桥上游28 m处，位于基本水尺断面上游50 m，断面宽约70 m，中泓分布在起点距20～30 m之间，两个断面河道顺直，中间无支流汇入，无岔流分流，因此，电波流速仪断面水位应用基本水尺断面水位。对电波流速仪测流断面进行大断面测量，根据大断面和流速分布情况在起点距13.3、18.8、22.2、27.7、33.2 m处设置5条电波流速仪测速垂线，在公路桥上标记测速垂线位置，测量桥面到电波流速仪测流断面的水平距离。电波流速仪测流断面大断面图见图3。

图3 电波流速仪测流断面大断面图

3 比测过程及成果分析

3.1 资料收集

本次比测，采用2017年6～7月七洞水文站河段两次明显的涨水过程，10次流量（其中涨水面6次、退水面1次、平水期3次）比测成果进行分析。比测率定水位范围144.45～145.48 m，实测虚流量范围204～385 m3/s，最小垂线流速0.80 m/s，最大垂线流速2.40 m/s，ADCP实测流量范围165～318 m3/s。

3.2 比测成果

分别计算不同测次电波流速仪水面系数K，计算平均水面系数。水面系数计算公式为K=Q/Q0，式中：K为电波流速仪水面系数；Q为ADCP实测流量，m3/s；Q0为电波流速仪虚流量，m3/s。计算成果见表1，电波流速仪平均水面系数K为0.77。

表1 七洞水文站电波流速仪水面系数计算成果表

3.3 比测成果分析率定

采用水面系数K=0.77与电波流速仪虚流量计算相应流量，统计相应流量与ADCP实测流量的相对误差，计算结果见表2。

表2 七洞水文站电波流速仪相应流量与ADCP实测流量误差计算成果表

由表2可知，电波流速仪相应流量与ADCP实测流量相对误差最小为-0.43%，最大为-8.23%，平均误差为6.35%，单次流量测验误差均小于《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）规定的三类精度水文站，单次流量测验中水10%、高水9%的允许误差，满足精度要求。

3.4 精度评定及误差分析

对ADCP实测流量和电波流速仪相应流量进行符号检验、适线检验和偏离数值检验，并计算系统误差、随机不确定度，结果见表3。

根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）定线精度指标要求，三类精度水文站单一线精度指标为系统误差±2%，浮标法测流定线随机不确定度指标为13%～15%。从表3可知，ADCP实测流量和电波流速仪相应流量关系曲线，系统误差为0.6%，随机不确定度为10.8%，三项检验合格，误差满足精度指标要求。

表3 七洞站ADCP实测流量～SVR相应流量关系曲线检验计算表

4 结语

（1）通过比测，结果表明七洞站采用电波流速仪法在相应水位、流量适用范围内进行中、高洪流量测验是可行的。七洞水文站电波流速仪法流量计算公式为：Q＝0.77 Q0，其中Q为实测流量，Q0为电波流速仪虚流量。其适用条件为：七洞水文站中洪（144 m）以上水位时，可采用SVR电波流速仪施测流量，测速起点距为13.3、18.8、22.2、27.7、33.2 m，适用流量为204～385 m/s。

（2）采用电波流速仪开展流量测验，需选在有一定流速（本文最小流速0.8 m/s），有一定波浪的断面施测。

（3）电波流速仪测流过程中受车辆过往震动影响、降雨影响较大，建议对每个反馈数据进行甄别，因车辆过往和降雨影响出现特大或特小值应剔除。