茶陵（二）站电波流速仪比测分析报告

张彪

摘 要：電波流速仪是采用雷达多普勒效应测量水面流速。本文通过机械式转子流速仪实测流量与电波流速仪测算流量进行比较分析，并确定电波流速仪测量成果与常规流速仪测量成果间相关关系及比测系数。

关键词：电波流速仪；转子式流速仪；茶陵水文站；系数分析

1引言

电波流速仪是利用雷达多普勒效应，电磁波在不同介质表面发生反射时当波源、观测者、媒质之间发生相对运动时，引起电磁波频率改变的原理。在满足施测条件下，它只与媒质（水体）运动速度有关，且只与水体表面水力情况有关，与水中漂浮物无关。电波流速仪在发射雷达波照射水面时，部分能量被水面波散射后反射回来，产生的多普勒相移信息（频率信息）被仪器的天线接收。信号处理机利用发射信号的水面回波与发射信号的多普勒频率差来提取速度信息。测量中实际接收到的信号是流速信息真值的分量，经改正后还原成真值。

2分析原理的比较

2.1转子流速仪流速测量原理

流速仪测量流速的基本原理是通过测得点流速来推算垂线平均流速。茶陵水文站缆道由于没有拉偏索水位超过95.50m时采用流速仪水面一点法，水面系数为经验系数0.85；低于95.50m时采用两点法。

相关表达公式为：

测点流速计算公式：

V=Kn+C

V：点流速，m/s、

K：水力螺距

C：常数

n：流速仪转速

垂线平均流速计算公式：

一点法：V=αV0.0 二点法：V=（V0.2+V0.8）/2

V：平均流速

V0.0、V0.2、V0.8相对水深处流速流速

α：水面系数0.85（系经验系数）

2.2电波流速仪流速测量原理

原理：静止的激光光源发射的激光照射到随流体运动的粒子上时，粒子将接收到的光波向外散射，散射光频率与激光光波频率之差与粒子运动速度成正比。这个差值就叫多普勒频移。测量这个频差就可知运动粒子的速度，即流速。

主要技术指标：

雷达频率：24GHz

数据采集时间：5～240s

测量间隔时间设定范围：5s～8h

雷达波束角：12°

雷达水平角度调整范围：30～60°（自动补偿）

雷达探头距离水面距离：0.5m～30m

流速测量范围：0.15～15m/s

工作温度：-30°～+60°

野外防护等级：IP68

3茶陵站基本情况介绍

茶陵（二）站位于湖南省茶陵县思聪乡红桥村，东经113°32′，北纬26°48′。2011年1月1日设立。国家一类精度站，集水面积4347km2。上游茶陵、炎陵两县绝大部分为森林区，覆盖较好，上、下游河段顺直长约380m，断面呈“U”型，纵向向下游扩散，河床左岸为自然山脚，右岸为砂、粘土，河床由砂卵石、石板组成，基本稳定，大洪水时稍有冲淤变化。由于测站控制良好，该站从建站以来，都是采用临时曲线法定线推流，水位在97.50M以上且涨落急剧时，采用连时序法定线推流。

4比测方法

比测采用电波流速仪与常用流速仪同时间、同垂线、同测点、同历时进行。电波流速仪实测最高水位100.43m，最低水位94.31m，占该站水位变幅的75.6%。电波流速仪与常规流速仪同步测流次数：2013年35次，2014年5次，共40次（详见茶陵（二）站同步流量比测成果表）。需要指出的是：由于右岸漫滩，当水位在97.1m以上时，右岸不同级水位有起点距45m、33m处因流速太小，电波流速仪无法测出流速。根据常规流量计算，这部分流量约占断面流量的0.3%-0.8%之间，影响甚微，故在电波仪流量计算中这一部分做死水处理。其测速垂线也未参加统计。

5电波流速仪流量与常规流速仪流量系数分析

1、5.1系数分析

为准确反映电波仪与常规仪间流量的相互关系，描述相关关系方向与密切程度，选取95.0m以上、96.0m以上和97.0m以上三种不同水位级实测流量与电波仪流量，分别对其系数进行分析。

（1）、95.0m以上相关系数分析

选用95.0m以上实测电波仪流量与常规流量同步资料，采用EXCEL相关分析方法，建立直线方程，见图和表：

（2）96.0m以上相关系数分析

选用96.0m以上实测电波仪流量与常规流量同步资料，采用EXCEL相关分析方法，建立直线方程，见图和表：

（3）97.0m以上相关系数分析

选用97.0m以上实测电波仪流量与常规流量同步资料，采用EXCEL相关分析方法，建立直线方程，见图和表：

5.2分析结论

根据EXCEL相关分析方法，Pearson相关系数为两变量间线性相关关系密切程度和方向，其中∣r∣≤1，∣r∣越接近1，线性关系越密切；∣r∣=1，为完全相关，∣r∣=0则表明两变量间无线性相关；a为直线在y轴上的截距；本分析截距取零，b为回归系数，即直线的斜率。

从以上3个表图可知，当水位级95.0m、96.0m和97.0m以上时，流速仪流量与电波仪流量线性相关关系密切程度均很高，相关系数都达0.99以上。回归系数均为0.86（其中截距为0），这与现行测验规范中经验系数（或浮标系数）基本相近，电波流速仪实测流量随着水位级不断增高，与常规法实测流量关系越好。

6结语

通过对茶陵（二）站电波流速仪实测流量与常规流速仪实测流量相关分析，发现该站水位在95.0m以下同步常规流量与电波流速仪流量资料比值在0.20～0.56间，没有规律可循，其原因主要是95m以下水位低、流速小、大部分垂线水面流速小于0.2m以下，已接近和超出该仪器最小测速范围，因此，水位在95.0以下电波流速仪测量误差较大，不能满足测验要求。而水位在水位95.0m以上时，电波流速仪流量流量与常规流速仪流量系数均为0.86，电波流速仪流量与常规流速仪流量之间有良好相关关系，电波流速仪可以在95.0m-97.0m之间转子流速仪实测没有困难的时候，用转子流速仪法交和电波流速仪叉使用以检验电波流速仪的可靠性。当水位达到了97.0m以上时，电波流速仪测量与转子流速仪关系很好，可以直接采用电波流速仪法测量。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.GB50179-2015 河流流量测验规范.北京：中国计划出版社，2007.

[2] 电波流速仪使用手册.黄河水利委员会.

（作者单位：株洲水文水资源勘测局）