雷达波流速仪在中小河流流量测验中的应用分析

秦福清

（山西长治水文分局，山西 长治 046011）

当前，我国大部分中小河流的流量测验，通常采用常规的转子式流速仪、浮标法测得流速，再通过流速面积法将流速转换为流量，给工作造成很大不便。随着我国科技的迅猛发展，为减少洪水对国家和人民生命财产造成的损失，要求采用先进的测流方式和仪器，在最短的时间内能够测得准，报得出。雷达波测流已被水文行业认可，先后推出多种雷达波测流仪，可在中小河流中实现流量自动测验。雷达波流速仪即电波流速仪，主要包括无线遥控雷达波数字化测流系统、在线遥控多探头雷达波测流系统、缆道雷达波测流设备和手持电（雷达）波流速仪等。

1 雷达波测流仪器介绍

1.1 无线遥控雷达波数字化测流系统

无线遥控雷达波数字化测流系统，俗称水文缆道测流机器人，是参照我国水利行业标准 GB 50179—93《河道流量测验规范》[1]，结合 SL 443—2009《水文缆道测验规范》[2]开发研制的。2010年3月研制成功，2 a 来通过在不同河流和环境测试，各项指标都符合《水文测验规范》要求。2012年4 月19日获国家知识产权局实用新型专利权，专利号：201120383729.3[3]。

1.1.1 测验原理

无线遥控雷达波数字化测流系统，是把雷达波定位测验流速仪悬挂在配套直径 4.2 mm 的简易钢丝绳缆道上，利用无线遥控、配套定位和测流软件，通过在电脑上远程操作，以非接触方式测验和计算水面流速、断面流量。无线遥控雷达波数字化测流系统整体结构示意图如图 1 所示。

图1 无线遥控雷达波数字化测流系统整体结构示意图

1.1.2 设备组成

1）测验缆道。在河道测验断面，架设和仪器设备配套使用的 4.2 mm（如河道断面宽超过 300 m，钢丝绳应加粗，定位滑轮加大）不锈钢或镀锌钢丝绳高低简易缆道，高缆道用于高洪测流，低缆道用于日常测流。

2）雷达波定位测验流速仪。由多普勒雷达波测速传感器、步进电机及配置有高性能专用微步距电脑控制芯片的高性能细分驱动器、PLC、无线信号传输装置及内置锂电池组成，仪器结构如图 2 所示。

图2 雷达波定位测验流速仪

3）无线遥控数字化处理器。由电脑、无线遥控、仪器定位控制及测流数字化处理计算软件组成。

1.1.3 性能特点

无线遥控雷达波数字化测流系统主要用于较大洪水流量的测验，也适合高流速、水浪，以及多漂浮物情况下，常规转子式流速仪或 ADCP 无法入水测验时，进行流量测验，还可用于巡测和常规性测流。

1.1.3.1 安全可靠、省时省力、全新便携式

1）测验操作没有安全隐患，仪器以非接触方式进行测验，测验人员在安全地带进行遥控测流。

2）雷达波流速仪体积小，重量轻，1 人即可轻松安装操作。挂上仪器后，在观测房或汽车内，短时间内即可获得洪水数据。

3）仪器携带、安装方便，无需现场接线，随时安装，迅速测流。测验缆道简便、经济，无线遥控，定位测验，数字化处理。

1.1.3.2 精度高、速度快，不受风雨和停电限制，测验数据准确规范

1）雷达波定位测验流速仪运行速度达 60 m/min。在测验断面垂线水面流速为 1.00 m/s 时，该仪器每秒可采集 4 次测点水面流速。如该测点测验历时设置的是 20 s，该测点可测得近 80 个流速数据，测流软件会自动去掉 10% 的最大和最小流速数据，然后再平均，部分消除了缆索和仪器摆动的误差。在水位、测验断面不发生变化时，多次在水面流速约为1.00 m/s 的同一测速垂线，测得水面平均流速的重复性不超过 0.03 m/s。水面宽 100 m 的河流完成测流仅需要几分钟，非常适合洪水抢测。

2）风雨天气可正常测流。为减小风对仪器的摆动，仪器外部设有平衡球稳定设施。软件方面，设置了有效测点流速数据的读取程序，可自动生成降雨模式测验。野外作业由锂电池供电，配有 220 V 交流电和车载 2 种充电器，自带电源可保证连续工作5 h 以上，电池保用 5 a。

3）流速数据采集记录由计算机自动完成。测验完成后可立即算出流量，显示存储或打印出测流成果，自动化程度高，测验操作平台简捷易懂，显示清晰。且有手动和自动测流功能，对有异议的测点可再次进行测验；可自由定位测流，也可在电脑上对水位、测验断面变化情况进行处理；可计算分析出洪水流量，计算过程中的测流数据和参数按 GB 50179—93《河道流量测验规范》进行校验，测流结果满足测验规范要求，可直接录入数据库，无需后续处理 。

1.1.3.3 功能完备、可靠性高、适应性广

1）系统理论允许最大跨度：1000 m；最多测验垂线：50 条；测速范围：0.20～18.00 m/s；无线遥控定位测流理论遥控距离：2000 m。测验操作平台关闭或出现故障时，200 s 后仪器会自动返回停泊点。电脑操作平台有通讯、电压数据检测显示，并有电压不足自动报警功能。仪器所选元件均按工业级器件配置，控制系统采用 PLC 控制。应用在大于300 m 的简易钢丝绳缆道上，应根据长度适当加粗钢丝绳，并注意调整起点距系数。

2）雷达波流速仪也可安装在桥上进行测验，功能可升级扩展，全防水设计，也可根据使用者要求进行改进。

1.2 在线遥控多探头雷达波数字化测流系统

该测流系统适用于无人值守水文站，与公路雷达超速监测相似。把多个雷达波测速传感器探头用电缆连接，布设在测验河道断面不同的起点距位置，由 PLC、集成线路板及太阳能电池组成的数据信号处理器，通过无线传输，测验河道断面多条垂线水面流速。通过雷达或气泡式水位计同步采集水位数据，或由其它方式获得水位数据，通过水位——实测大断面成果定时计算断面流量。可在现场显示或通过 GPRS 无线网络传输到水文局监控中心，监测、记录、传输和存储河道流量。不足之处是测验环境要求较高，要求河床断面比较稳定。

1.3 缆道雷达波测流设备

缆道雷达波测流设备采用多普勒雷达波测速传感器，以非接触方式测量水流表面流速，借助水文站现有的铅鱼缆道设施，测量每条垂线水面流速，配套测流软件，计算断面流量。该雷达波测流设备可取代浮标法进行高洪测验，也可用于常规性和低流速测流，特别适合高流速、污水和大量漂浮物条件下的流量测验。该测流设备主要设计安装在水文缆道行车架或铅鱼上，在蓄电池寿命期内，可一直免维护运行。不足之处是必须有配套带拉偏索的绞车缆道，安装在水文缆道行车架上，由于行车架太高，小于 0.5 m/s 的流速测得的数据不准确。

1.4 手持电（雷达）波流速仪

目前手持电（雷达）波流速仪种类较多，名称也较多，如电波流速仪、手持雷达枪、微波流速仪等。比较先进的是具有流速平均、回波强度、角度改正、自动生成降雨模式、输入和计时秒表等功能的电波流速仪，适用于桥测、有吊箱的缆道和断面比较窄的河道测量。但在手持测验时，不能抖动，角度要掌握好。

2 雷达波流速仪比测分析

以山西省局、黄河中游局、四川都江（内江）、长潭河等水文测站比测分析资料，在不同河流、环境下，对雷达波测速仪、浮标法、常规转子式流速仪测流进行多次严格比测，各项指标符合《水文测验规范》要求。

2.1 可能涨水的水文站比测情况分析

2011 年，根据天气预报，查找有可能涨水的水文站，分别在陕西省黄河中游局吴堡和山西省的水文站，对“无线遥控雷达波数字化测流系统”与LS25 旋浆流速仪、LS68 旋杯流速仪、手持雷达枪（手持电波流速仪）、浮标法进行比测。陕西省榆林吴堡县黄河中游局吴堡（二）、山西晋中市榆社县榆社（石栈道二）、山西忻州市静乐县静乐（河道）、山西长治石梁等水文站的河道测验断面比测情况如表1～4 所示。

通过以上比测，“无线遥控电波数字化测流系统”测得数据与常用的 LS25 旋浆式流速仪、LS68旋杯式流速仪基本一致。在水位不发生变化、无风的情况下，连续几次测试，测得流量数据基本相同，不存在人为操作误差因素。表1～4 数据的误差，主要是水面受风影响产生的，在水文测验规范要求范围，精度高于浮标法测验。

表1 陕西省榆林吴堡县黄河中游局吴堡（二）水文站比测情况 [4] 9-15

表2 山西晋中市榆社县榆社（石栈道二）水文站比测情况[4] 16-24

表3 山西忻州市静乐县静乐（河道）水文站比测情况 [4] 25-36

表4 山西长治石梁水文站比测情况 [4] 57-72

2.2 都江堰都江（内江）站比测情况分析

都江（内江）站测验断面位于都江堰景区内江河道，断面宽约 200 m，河道顺直，常年水位变幅3 m 左右，流速范围在 2.00～4.00 m/s 之间，测流设施为半自动铅鱼缆道。

为检测缆道雷达波流速设备的测流精度、对环境适应能力和长期工作的稳定性，把设备安装在缆道行车架上，距水面高度约 20 m，采用 7A·h 蓄电池供电，太阳能板自动充电。自 2010年7 月安装使用迄今。

缆道雷达波测流设备采用 34.7 GHz 雷达波探头，从行车架上以 45° 俯角向水面发射，根据水面反射波的多普勒频移测量流速，流速数据通过无线电台发送到缆道操作操作室内，通过接收电台的RS-232 串口进入计算机。

为分析雷达波流速仪测量精度，利用缆道电波测流设备与 LS25-1 型旋桨式流速仪进行比测，比测时间为 2010-08-20 T 10:32—11:26，当时天气：雨，水位 728.14 m，相对测量位置均为 0，测量历时均为90 s，比测数据具体如表5 所示。

表5 都江（内江）站 2010年8月20日比测数据 [5]

由于雷达波流速仪测点的位置在转子式流速仪测点的上游，2 处流速会有一定偏差。同时缆道有一定垂度，导致雷达波测点不确定。因此，偏差随起点距位置不同而变化，从实测对比数据看，上游流速略小，这与该河段有明显纵比降相符。

都江（内江）站 2010年8月20日 10 : 32—11 : 26 比测数据相关性如图 3 所示，可以看出，2 组流速数据相关性很好。根据 10 次比测成果，雷达波和转子式流速仪的流速数据相关性都在 99% 以上。

图3 都江（内江）站 2010年8月20日比测数据相关性

由于雷达波测流不受水面漂浮物影响，在雨天和夜间采用自动采集方式测流非常方便，是取代浮标进行高洪测流的理想方法，测量精度和时效都优于浮标法。

如果采用铅鱼安装方式，在每条测流垂线的固定高度施测，可以减小因行车架安装方式导致测点不确定造成的误差。通过在不同水位、流量级进行大量样本数据分析，找出雷达波和转子式流速仪施测数据的精确关系，在平水时亦可取代转子式流速仪测流。

2.3 湖南长潭河水文站比测情况分析

长潭河水文站流量测验全年均在电动缆道上进行，在转子式流速仪测验的同时，进行雷达波流速仪测速，雷达波流速仪测速测深垂线的选择与转子式流速仪测量的垂线相同，采用同一测深的水深分别进行转子式流速仪测验流量的计算和电波流速仪测量虚流量计算（乘以该站水面流速系数 0.88），得到 2 种流速仪测验的流量成果，并进行比测资料的分析统计计算。

根据长潭河水文站 2010年7—9 月在不同水位级采用 2 种流速仪所测的点流速和流量成果，以国产转子式流速仪测量值为真值，进行比测资料的比较分析及误差统计，计算得出：点流速比测 134 个，随机不确定度为 14.0%，标准差为 7.0%，系统误差为 1.0%；比测流量资料统计 29 次，随机不确定度为 10.6%，标准差为 5.3%，系统误差为 -0.5%。可见比测分析结果是比较理想的，达到流量测验规范对误差的要求。雷达波流速仪测流因其影响测验精度的因素要少于浮标法，所以精度要高于浮标法。具体比测误差计算表如表6 所示。

通过对比测资料的分析和统计得出：测验时如有大风，对雷达波流速仪测验精度有较大影响。如第 7， 8，27 次流量偏大，是因为在测验时有较大风影响所致，特别是第 27 次是在低水位且有大风时测速，误差很大。第 17，18，36，37 次为低水位时测流，流量偏小。因此，测流时机的掌握显得十分关键。雷达波流速仪应用于实际测验工作中还有待于更进一步地试验分析与探讨，直至达到满足实际测流工作需要的目的。

3 雷达波流速仪的特点

1）雷达波流速仪测流时，河道流速越大，回波信号越强。多普勒雷达波测速传感器，是根据河流流速特点，按要求设计的。雷达波流速仪在 1 m/s 的流速时，100 m 内 1 s 可以测得 4 次流速，并有自动转换降雨模式功能。

2）在测验距离上，距离越近，回波信号越强。在 2 m 的距离内，可测得 0.2 m/s 的流速。

3）在测流角度上，雷达波测速探头俯角越大，与水面接触面越小，回波信号越弱；俯角越小，与水面接触面越大，回波信号越强。

4）在测验历时上，流速越大，测得流速数据越多；流速越小测得流速数据越少。

根据雷达波流速仪特点，应根据测验环境的实际情况进行选型。如无线遥控雷达波数字化测流系统，需架设高低简易不锈钢钢丝绳缆道，根据具体情况调整雷达波测速探头测验角度和历时。

表6 长潭河水文站 2010年7——9 月流量比测误差计算表[6]

4 影响测流数据的因素及处理方法

1）风向对测流数据的影响。在雷达波流速仪测量水面流速时，雷达波流速仪本身测得数据没问题，但水面如果受风的影响，送风水面流速会偏大，逆风水面流速会偏小。流速越大，风影响水面流速的因素相对要小；流速越小，风影响水面流速的因素相对要大。这就要求在成果资料整理上，借鉴浮标测验法，观测风力、风向，对成果资料进行整理，雷达波与浮标法测流的水面流速系数相同。无线遥控雷达波数字化测流系统对测验时的天气情况进行了记录，水位、测验断面变化也可随时在电脑上进行处理。

2）测流角度对测流数据的影响。在测流角度上，在中到暴雨情况下对测流是有影响的。虽然多普勒雷达波测速传感器，设计了自动转换降雨模式功能，但一点影响没有是不可能的，所以在测流操作中应该调到降雨影响最小的俯角（60°）。另外在测流操作中，对于特别低的流速，为加大雷达波与水面接触面，测流角度应该调到与水面接触面最大的俯角（30°）。

3）测流历时对测流数据的影响。由于流速越大每秒测得流速数据越多，流速越小每秒测得流速数据越少，所以流速大时，测速时间可短些，流速小时，测速时间应长些。常规下，流速大于 1 m/s 时，测速时间可在 20～30 s；流速在 0.5～1.0 m/s 时，测速时间可在 30～60 s；流速小于 0.5 m/s 时，测速时间可在 60～90 s。

5 结语

通过在不同河流、环境下进行比测和分析，可以得出雷达波测流精度高于浮标法，测验历时短，1 个人也可操作测流，符合 GB 50179—93《河道流量测验规范》第 5 章浮标法测流精度要求，可在大多数测流场合应用。特别是“无线遥控雷达波数字化测流系统”，解决了转子式流速仪和 ADCP 在高流速、有水浪无法入水，有漂浮物和水草缠绕仪器不能测验、不安全等问题；解决了浮标法测验投浮标、守断面发信号、瞄浮标画图、卡秒表、资料整理计算、用人多、测验历时长、不安全等问题，此测流系统安全可靠、经济适用、施工和安装简便，随时可投入使用，且在最短的时间内能够测得准、报得出，能为国家提供可靠决策依据，可以成为目前中小河流流量自动测验的主要测具。

[1]中华人民共和国水利部. GB 50179—93 河流流量测验规范[S]. 北京：中国计划出版社，1994: 1-114.

[2]中华人民共和国水利部. SL 443—2009 水文缆道测验规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2010: 26-36.

[3]秦福清. 无线遥控雷达波数字化测流系统.中国，201120383729.3 [P]. 2012-04-19.

[4]山西长治水文水资源勘测分局. 2010—2012 年无线遥控雷达波数字化测流系统比测、测试资料[R]. 长治：山西长治水文水资源勘测分局，2012.

[5]四川都江堰都江（内江）水文站. S3-SVR 型缆道雷达波测流设备(都江堰都江（内江）站比测情况分析)[R].都江堰：四川都江堰都江（内江）水文站，2010: 1-3.

[6]湖南省水文水资源勘测局长潭河水文站. 长潭河水文站雷达波—流速仪比测实验与分析[R]. 慈利：长潭河水文站，2010: 6-12.