雷达波流速仪在卡洛特工程专用水文站的应用

孙明元 黄晶晶

摘要：目前转子式流速仪、ADCP等接触式流量测验仪器存在遇到大洪水及有漂浮物时无法施测的问题，且常规测验方法测验历时长、仪器设备操作专业性强，不适合在安全形势不稳定地区特殊水情出现时使用。雷达波流速仪作为一种非接触式流量测验仪器，具有操作简单、使用机动灵活、测验精度较高等特点，非常适合在境外水电工程水文测验中使用。以巴基斯坦卡洛特水电工程流量测验为例，分析了雷达波流速仪水面系数率定过程。在与LS25-3A流速仪比测后，相关分析表明，采用有截距的回归方程能够有效减小低水部分流量测验误差，提高雷达波流速仪测验精度。雷达波流速仪作为一种备用方案，可用于专用水文站流量测验。

关键词：雷达波流速仪;流量测验;卡洛特水电项目;巴基斯坦

中图法分类号：P332.4

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.07.002

1 巴基斯坦卡洛特专用水文站概况

巴基斯坦卡洛特水电项目是“中巴经济走廊”首批能源优先开发项目，备受国内外关注。巴基斯坦卡洛特专用水文站（以下简称“专用站”）位于坝址下游约2 km处，主要任务为在工程施工期收集水位、流量、泥沙、气象等资料，满足工程区水情预报和报汛需要。

专用站测验河段具有典型的山溪性河流特征，落差大，中低水水面比降达3.1‰，河水陡涨陡落，水位年变幅约为10 m，2017年实测最大流速5.01 m/s。流量测验断面两岸均为坚硬岩石，断面稳定呈V形。

由于专用站距工程区域较远，鉴于巴基斯坦的安全形势，安保要求较高，测验人员面临一定的安全风险，在特殊情况下雷达波流速仪测流较其他测流方式具有明显优势。

2 雷达波流速仪简介

雷达波流速仪是一种利用雷达波多普勒效应以非接触方式测量水流表面流速的仪器。雷达波流速仪流量测验在国内不同河流和环境进行了大量测试，测验成果指标均符合水文测验规范要求[1]。专用站使用的雷达波流速仪采用美国ACI公司S3 SVR雷达波测速探头，应用无线遥控雷达波数字化测流系统开展流量测验。

主要技术指标如下：

测速范围：0.20～18.0 m/s;

测速精度：+0.05 m/s;

波束宽度：12。;

微波功率：50 mW;

微波频率：Ka波段，34.7GHz;

无线模块通信距离600 m。

无线遥控雷达波数字化测流系统由雷达波测速探头、电动行车、无线信号传输装置、测流软件、简易缆道等部分组成，通过岸上计算机使用测流软件控制可以实现雷达波流速仪沿简易缆道自动定位，自动测速，自动返回等一系列功能。

无线遥控雷达波数字化测流系统自动化程度高、操作简便、测验历时短、可现场安装，测验完成后拆卸装箱，携带方便，经过简单培训一个人即可独立操作完成测验任务。

3 雷达波流速仪流量比测试验

为了提高流量测验成果质量，雷达波流速仪在使用前需开展比测试验，确定水面流速系数K值[2]。专用站于2017年5-12月开展了雷达波流速仪与LS25-3A流速仪流量比测试验，期间共开展流量比测18次。比测时雷达波流速仪放置在水文缆道主索上游2m处的一根4.2 mm悬索上，雷达波探头俯角保持45°固定，由电脑无线控制行车自动实现固定垂线测速，其固定垂线与缆道流量测验垂线一致。同时水文缆道采用流速仪2点法施测流量，尽量保持两者测验平均时间重合。由于两断面相距较近，流量计算时采用LS25-3A流速仪测流断面的大断面成果，雷达波流速仪流量采用公式Q= 0.960Q雷 - 36.7計算，其中，Q雷为雷达波流速仪虚流量。比测范围见表1。

全年水位变幅为10.04 m，雷达波流速仪流量测点主要分布在中低水区间，水位变幅占全年水位变幅的62%。

4 流速比测试验分析

雷达波流速仪所测得的垂线水面虚流速V雷与垂线实际水面流速voo存在一定的关系[3]，由于专用站流量常规测验方法为LS25-3A流速仪2点法，所以采用垂线相对水深0.2处的流速与雷达波流速仪测得流速绘制相关关系曲线。

选用LS25-3A流速仪流量测验时水位变幅较小的9次成果，摘录相同垂线雷达波流速仪测得水面虚流速V雷与LS25-3A流速仪在相对水深0.2处的流速V0.2，共48组流速数据绘制相关关系图。详细数据见表2。

通过分析，相关关系为带截距的线性回归方程，见图1。雷达波测得的水面实际流速Voo按公式V0.0=0.839V雷+0.126计算（水面实际流速无法实测，近似认为水面以下0.2的流速与水面流速相同）。此方程表明，当雷达波流速仪测得的流速为零时，水面流速并不为零，雷达波测速探头测得的流速与水面流速之间并不成正比例关系。这一点在雷达波测速仪应用相关的论文中可以得到印证[1-2]。

由此可以推断，雷达波流速仪测得的水面虚流速与垂线平均流速存在如下关系：式中，Q为断面实际流量;Q雷为雷达波虚流量; a为岸边系数;A为断面面积。

经过推导，可以得到雷达波流速仪计算的虚流量Q雷与断面实际流量Q之间的关系式，因不光滑陡岸岸边系数0.8对断面面积A影响较小，故采用近似值bA。bA并非常数，而是一个随水位变化的函数。实践表明，断面流量较小时，bA部分对断面总流量影响较大;断面流量较大时，bA部分对断面总流量影响较小;故而在实际应用时可用一个综合常数代替处理。

5 雷达波流速仪水面流速系数分析

2017年专用站共开展比测试验18次，以LS25-3A流速仪测得流量为真值建立水位一流量关系。由于LS25-3A流速仪测流时间较长，一般为1.5 h左右，测流期间水位变幅可以达到10-20 cm，而雷达波流速仪测流时间较短，仅需20 min左右，若用LS25-3A流速仪法测得的流量与雷达波流速仪测得的虚流量直接建立相关关系分析水面流速系数会产生较大偏差。所以采用雷达波流速仪测得的虚流量与雷达波测流平均时间对应的LS25-3A流速仪关系曲线的查线流量建立相关关系，通过分析确定雷达波流速仪水面流速系数（见表3）。

通过分析，建立了两种相关关系，第一种为不带截距的直线关系（见图2），另外一种是带有截距的直线关系（见图3）。利用两种直线回归方程分别计算雷达波流量相对误差，直线回归方程1在雷达波流速仪测得的虚流量小于550m3/s时会产生较大的相对误差，最大达到了29.96%，虚流量越小相对误差越大，无法满足规范要求。而采用直线回归方程2计算的雷达波流量，低水部分相对误差明显减小，高水部分相对误差变化不大，系统误差从4.5%降至0.6%。

用直线回归方程2计算得到的流量绘制水位一流量关系曲线并进行3种检验，结果全部合格，系统误差0.6%，标准差5.0%，随机不确定度10.0%，满足二类精度水文站单一曲线定线精度要求[5]。

通过分析最终确定Q= 0.960Q雷 - 36.7为专用站雷达波流速仪实测流量计算公式，流量测验结束后通过式（4）计算雷达波流速仪虚流量，再通过上式计算实测流量，分析表明各项指标满足流量测量精度要求，雷达波流速仪可以在卡洛特专用站投产使用。

6 结论

（1）通过一系列的分析表明，雷达波流速仪测得的虚流速与垂线平均流速之间的相关关系并不是正比例关系，通过建立的相关关系推断雷达波流速仪测得的虚流速为零时水面流速并不为零。由此推断，雷达波流速仪测得的虚流量与流量真值之间也不是简单的正比例关系。

（2）在卡洛特专用水文站雷达波流速仪比测实验中发现，相关关系Q=KQ雷得到的水面流速系数在低水部分会产生较大的偏差，不能满足规范要求。而采用帶有截距的直线相关关系可有效地减小低水部分流量拟合的相对误差，提高雷达波流速仪流量测验精度。

（3）雷达波流速仪在卡洛特专用站的运用表明，雷达波流速仪具有测验精度高、操作简便、测验历时短、节省人力的优势，还可有效提高流量测验的效率。在工程水文测验中，特别是在自然环境恶劣、安全风险较高的地区，可作为常规或补充的测验方式。

参考文献：

[1]秦福清.雷达波流速仪在中小河流流量测验中的应用分析[J].水利信息化，2012（4）：42-48.

[2]齐斌，高贵成，郭成山，等.电波流速仪系数分析试验研究[Jl.水文，2004（1）：50-54.

[3]杨志红，张春林，王汉卿.雷达波流速仪流量测验水面流速系数分析研究[J].农业科技与信息，2015 （4）： 97-99.

[4] GB50179-2015河流流量测验规范[S].

[5] SL247-2012水文资料整编规范[S].