电波流速仪在黄河水文监测中的运用

刘中利　陈学虞　陈若楠

摘 要：黄河的安澜备受历朝历代统治者的重视，作为监管黄河的主要方式和手段，水文监测的作用极其重要。黄河流域已然建成了覆盖整个黄河大部分河流以及区域、布局非常合理的水文监测站网格体系，为黄河的安全和黄河沿线的稳定发展起到了重要作用。近些年来，电波流速仪在水文监测中的使用越来越多，该文进行了电波流速仪的测量试验，与传统的试验方法相比，不受流量计、含沙量高等影响，特别适合于测定区域水流特性，电波流速仪在恶劣的天气仍能使用。

关键词：电波流速仪 黄河 水文监测

中图分类号：P64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0140-02

“黄河安宁，天下太平”，黄河的安澜备受历朝历代统治者的重视，作为监管黄河的主要方式和手段，水文监测的作用极其重要。水文监测技术已经渐渐的从以人力为主转向以先进的设备为主、数值化分析；渐渐地从孤立的节点检查转向连续的、智能的在线监测；渐渐地从接触式转向以高级的仪器为依托的非接触式，渐渐地从在水文站驻测转向驻测巡测科学的结合。

水流的流量是水文监测的众多数据中最重要的一个，长期以来我国各大水文站都采用悬浆式的流速仪进行实验。对于水流急、含沙量大、水中不明物质多的黄河，传统测量实验仪器很难下水，浮标很难精确地放置，甚至特殊情况下测试工作人员还会有危险。而先进的电波流速仪的测量具有遥控距离远、不直接接触等特点，使用它可以便利地获取水面的流速，再通过查阅所在区域的流速系数，经过科学的计算，就可得到黄河河流流量的数据。这种仪器的测量不受含沙量、水中杂质的影响，操作方便安全、获取数据简单。

1 测量原理及技术指标

1.1 测量原理

电波流速仪是利用物理学中的多普勒效应制成的，当波动源、电波流速仪、媒质之间发生相对的运动的时候，仪器释放的电磁波在不同流速的表面发生反馈反射，从而导致接收到的电磁波的频率显著的改变。在满足实验条件下，电磁波只与河流中水流的速度相关，并且只与河流表面的情况有关，与水中漂浮物、泥沙等没有关系。

采用电波流速仪进行测速使用的时候，波源与测量点相对位置不发生改变，河流中水流相对运动。这会引起反射波频率的变化（电波流速仪只能利用反射波测数据），反馈数据的大小与河流中水流的相对速度联系紧密。发射波的频率和接收到反馈的频率的差值，就叫多普勒频率。

采用的电波流速仪的发射波发散在水面上的椭圆区域，椭圆形区域的面积与电磁波发射角等因素相关，所以说，电波流速仪测定的流速是整个椭圆形面积的平均流速，这种方法运用的原理与传统流速仪测量完全不同，传统流速仪测定的结果反映的是点平均流速。

1.2 主要技术指标

黄河水文监测中使用的电波流速仪是美国德卡托电子公司生产的，其主要技术指标如下。仪器型号为SVR-VP，测速范围为0.2～14 m/s，最大有效测程为250 m，发射角为13°，仪器功率为10 MW；电波频率为26 GHz；使用温度要求-35 ℃～+60 ℃

2 电波流速仪的黄河水文监测实验

2.1 测站概况

高村在东明县城往北大概6 km的位置，与亚洲第一长桥毗邻——长东黄河铁路大桥，北边靠近东明黄河公路大桥，西面临近黄河大堤，并且与河南省濮阳县距离很近，是黄河入鲁来第一个黄河水文监测站。全村共有耕地179公顷，3 000人。黄河高村站是非常重要的控制站，测验黄河下游的河段，地处所测河段的末端。断面距河口距离580.1 km，集水面积723 146 km2。水尺断面每间隔4 m修建测点。

2.2 比测目的

从2015年5月开始，为了测试电波流速仪在黄河的具体性能，最终得出本站电波流速仪的水面修正系数，将试验到点定在具有规则的渠道测验断面的高村电站渠站进行，历时三个月的水位的实控实测，共进行电波流速仪测定水面流速系数试验资料60次。

2.3 前期工作

电波流速仪测定的是水流速度的横向分布，在试验现场，根据从起始点的通道断面流速出发，从该站渠道测桥的起点进行试验完成测量任务。选择同一垂直渠道，使用特定的测试方法进行电波流速仪测试，并确保每一次设定的角度相同，设定为25°，平均垂直速度以1 min为间隔进行记录，根据水位具体情况，读取距起点1.5 m到7.0 m的速度数据计算垂线的平均流速，参考所测断面的面积就可以计算出流量。

2.4 电波流速仪在试验中的方法

在实际的测试过程中，该方法是将电波流速仪设置为沿水程方向，同水道横截面垂直，顺水流方向，水平角度的方向设置为0°（10°的变化不影响测量结果）。在实验中，除了满足电波流速仪的角度范围外，还要考虑电磁流量计相对于仪器设定的相对位置。为了提高测量精度，保证电波流速仪在均匀的断面测量断面流速和其他参数。为了保持速度的均匀，测量操作员保持电波流速仪测量垂直速度的角度，因为电波流速仪与表面高度差这些差异是不同的。这些因素在测试过程中是不会考虑，每一个测量角度选择设置在25°，然后进行测速实验。

2.5 比测方法

每次使用电波流速仪测速度的时候，电波流速仪用在垂直水流速度方向，保持一定的相对角度，测量断面与流量计截面重合。从测得的实验结果可以得出以下论断：电波流速仪的测量结果和流速仪测流结果横截面上的分布类似。于两种试验结果的流量计算，参考所测断面的面积，将电波流速仪进行计算，然后将此虚流量与流速仪所测的数值相比（將流速仪流量作为分母）。建立线性关系，进而得出可以满足测站实际情况的相关系数。

2.6 实验结论分析

通过随机不确定性检验，比如，符号检验、偏离数值检验等分析方法，电波流速仪的测量结果可以很好地满足水文规范要求，并且测的结果的精度可以达到一类精度，所以使用电波流速仪的数据，参考所测断面的面积就可以计算出流量，并且结果的精度能符合流量测验要求。

3 结语

电波流速仪在对比试验过程中，与传统的试验方法相比，不受流量计、水情变化、含沙量高和水上浮的影响，特别适合于测定区域水流特性。试验发现，电波流速仪在狂风暴雨天气仍能正常使用，但在试验中，雨雪天气对信号的反映或有一定的影响，我们建议尽量避免这些特殊的天气，也可以找到天气因素小于或更少受影响的地方。利用电波流速仪进行速度测试，若保证测量效果好就必须保证垂直度的相对稳定性、角度应大于45°，同一测量点的测量时间不少于45 s，当在同一测点上测量3次，取其平均值作为测点的速度比测试结果后对测量结果的分析。电波流速仪安全方便的操作，测速快，精度高，流量测量方法比以前使用的浮标更实用。在水文测量监测工作中，可以取代常用的方法，以提高结果的准确性。

参考文献

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