电波流速仪在大兴镇水文站洪水测验中的应用

吴晓东，任晨曦，徐舜天

（1.江苏省水文水资源勘测局连云港分局，江苏 连云港 222004；2.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南 250100；3.云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650500）

大兴镇水文站位于山东省临沭县大兴镇大兴一村，属国家重要水文站，是淮河流域性河道新沭河干流重要控制站，也是石梁河水库防汛调度的重要报汛站及水文预报重要站。站址断面以上控制流域面积5 108 km2。本站主要监测水位、流量、降水量、含沙量和水质等水文要素，常规测验利用缆道采用转子流速仪法进行水文测验；在常规测流断面上游约0.84 km处有大桥，为辅助断面，测验方法为电波流速仪法。近年来大兴镇水文站连续遭遇洪水过程，防汛形势愈发严峻，常规的转子流速仪法测验受到极大挑战。因此在大兴镇水文站洪水期间开展电波流速仪测验是十分必要。

1 测验原理和方法

1.1 测验原理

电波流速仪法采用电波雷达枪开展流速测验，主要基于多普勒效应对水流表面流速进行测定。电波流速仪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，可较快的测定水面平均流速。

电波雷达枪可实现5 h以上连续工作，能满足多次测流的要求，且设备内置倾斜传感器，可以对水平改正角和仰俯角进行手动选择和自动改正，确保测验精度。另外在异常天气条件下具有防雨淋的功能，适用性较强。

1.2 测验方法

1）测验断面。大兴镇水文站电波流速仪桥测断面位于缆道测验断面上游约0.84 km处，两个断面之间河道顺直，断面形状基本一致，在中高水期间河道水面宽度超200 m，断面详情见图1。

图1 电波流速仪桥测大断面图

2）测速垂线。电波流速仪测验断面测速垂线与缆道测验断面测速垂线布置完全一致，按每10 m间距布设一条垂线，并将测验位置在大桥上标注好。

3）流速测验。打开仪器开关，设置好仪器参数，调整好水平方位角和俯角，将电波流速仪探头瞄准到测流断面垂线上，即开始流速测定工作。初始发射时间维持在10 s，此后每间隔5 s进行一次观测，一般测流时间控制在1 min以内完成。流速测验完成后，需现场根据流速曲线分布图和断面图分析流速合理性，对已测流速与实际流速不符的需要重新测验。

2 比测成果

近年来，大兴镇水文站连续遇到超标洪水考验，其中2020年该站测得历史最大流量6 080 m3/s，测验断面平均流速超4 m/s。2020—2021年，大兴镇水文站针对缆道转子流速仪法和电波流速仪法同步开展了8次比测试验，水位、流量覆盖中高水位。具体比测成果见表1。

表1 均值系数法确定的流速系数成果表

3 分析率定

3.1 均值系数法

按照式（1）计算各测次的流速系数K0，然后取均值，得到电波流速仪综合水面流速系数K，相关成果见表1。由表1知综合流速系数K为1.03。

3.2 线性相关法

对缆道断面平均流速与电波流速仪表面流速建立相关关系，求解回归方程，见式（2）。

式中：c为常数；K为系数，当c为0时，K即为流速系数。

根据实测成果，绘制断面平均流速与电波流速仪表面流速关系线见图2，经线性函数回归分析并定线，结果为：Y=1.019 5X，相关系数R2=0.999 3。式中，Y为断面实测断面平均流速，m/s；X为电波流速仪表面流速，m/s。

图2 流速相关关系图

通过采取相关分析法分析，电波流速仪与缆道转子流速仪测验的流速之间相关关系较好，为显著相关。

3.3 率定成果及误差分析

本文针对两种计算方法比测率定成果进行三项检验，计算系统误差、标准误差及随机不确定度，成果见表2。

表2 比测率定分析成果

由表2可见，两种方法比测率定的成果通过三项检验，但误差和随机不确定度存在一定的差异。按照《水文资料整编规范》（SL247-2012）对流速仪法测验的精度相关规定，均值系数法比测率定分析成果达到三类精度水文站的精度指标要求，线性相关法比测率定分析成果达到一类精度水文站的精度指标要求。

3.4 流速系数确定

通过分析，电波流速仪与缆道转子流速仪的测验成果是密切相关的。从比测率定成果和精度指标来看，线性相关法的计算成果满足大兴镇水文站作为一类精度水文站的相关要求。在水文资料整编中，一般将流速系数取值为小数点后两位，因此，大兴镇水文站电波流速仪流速系数确定为1.02。

4 结语

1）根据比测率定试验，电波流速仪在大兴镇水文站洪水测验应用过程中相关成果满足该站一类精度水文站的相关精度，符合水文测验规范要求，即电波流速仪应用于大兴镇水文站洪水测验是可行的，该站电波流速仪的流速系数为1.02。

2）测验过程尽可能避开大雨、暴雨期间，同时测验操作过程中应将俯角调整到对降雨影响最小的60°。

3）建议不断补充完善大兴镇水文站不同水位级和流量级的比测分析工作，进一步优化电波流速的流速系数，不断提高工作效率，积极为地区防汛抗旱提供准确水文数据和水文情报预报。

4）电波流速仪与侧扫雷达测流仪原理相同，电波流速仪的成功应用对大兴镇水文站后期开展的侧扫雷达实时在线测流的推广应用具有较好的参考意义。