雷达波流速仪流量测验水面流速系数分析

欧阳鑫，吕青松

(兴国县长冈水库工程管理局，江西 兴国 342400)

1 雷达波流速仪及工作流程

雷达波流速仪由多普勒雷达波测速传感器、电机和电脑芯片区分器、无线信号传输系统、PLC、锂电池等部分组成。雷达波流速仪在测速测流过程中主要基于多普勒效应，根据系统所接收到的反射波频率传输量进行施测对象运动速度等变量的计算。具体而言，雷达波流速仪测试系统的测流传感器先将超声波向待测水面发出，此后部分超声波经由水面波浪遮挡后反射回来，产生相应的多普勒频率移动信息，经过系统天线接收后，自动测量出发射信号与反射信号之间的频率差，将此频率差值转换为施测水面流速信息。此外，雷达波流速仪系统所配备的水位传感器还同时进行着施测流域水位的同步测量，通过水位传感器的GPRS模块将待测流域水流流速、水位等数据传输至测量控制台，再由测量控制台将水面流速信息实施转换为断面流速信息，再通过水位面积法进行过水断面面积的实时计算，流速值与过水断面面积值相乘便可得出流量值。

雷达波测流系统中水面流速测量仪器主要为雷达波探头，在测流过程中，缆道控制箱主要依靠计算机定时供电，将雷达波流速仪悬挂在直径4.5 mm的简易钢丝绳缆道上，并通过无线遥控、配套定位及测流软件使双轨简易缆道带动仪器箱移动至断面垂线处，在计算机的控制下由雷达波探头以非接触的方式测流并接收测量数据，并采集水位后，基于所收集到的断面资料及所率定的流量，由计算机根据流速流量计算模型，借用断面成果表，进行断面实测流量值的计算，再将所得到的流域水文资料传送至测站信息采集系统，作为流域水文管理的基础性数据保存。

2 流量测验水面流速系数分析

2.1 试验断面的确定

为进行雷达波流速仪在水文监测中的适用性分析，本文选用江西不同流域内具有不同河流特征的长冈水库水库、平江和孤江流域进行流量测验比测及水面流速系数分析，并分别在长冈水库水库、平江和孤江选定比测断面，所选择的比测断面均与水文站流量测验断面重、合或接近，无明显的流态变化和水位变动，同时，还应在试验断面架设简易测流缆道并安装雷达波流速仪，以便展开断面流量和流速的比测试验。本文比测试验所选试验断面的总体描述详见表1。

表1 比测试验所选试验测站的总体描述

2.2 雷达波流速仪水面流速系数分析

2.2.1 垂线水面流速的相关性

选用长冈水库水库、平江和孤江常用的LS1206B型流速仪与雷达波流速仪进行比测断面水面流速的比测试验，取得两种测量仪器下垂线水面流速V雷0.0与V常0.0后，对所取得的水面流速数据进行对比分析。结果表明，长冈水库水库、平江和孤江进行比测断面水面流速试验所选取的30组数据内有2组数据因雷达波流速仪施测过程中受到上游漂浮物飘移过程的干扰，而流速值出现异常，所以按照舍弃处理，对剩余的28组数据进行分析。并在一张坐标图内点绘长冈水库水库、平江和孤江水文站4次、5次比测试验结果及所测得的V雷0.0与V常0.0值，以进行水面流速变动趋势的直观了解。根据各测站水面流速情况来看，采用LS1206B型流速仪与雷达波流速仪所测定的固定垂线水面流速变动趋势基本一致，峰值变动也基本反映出比测断面流速情况。长冈水库水库水文站V雷0.0与V常0.0相对误差均值为0.94%，相关系数0.95，平江站V雷0.0与V常0.0相对误差均值为-4.8%，相关系数0.97，孤江水文站V雷0.0与V常0.0相对误差均值为-4.4%，相关系数0.98。通过对各测站垂线水面流速相关性进行回归分析可知，8条垂线中有5条垂线水面流速相关性较好，相关系数取值在0.93～1.00范围内，剩余3条垂线相关系数仅为0.78和0.89，但标准误差取值较小，测定系数相关性较高，表明各流域LS1206B型流速仪与雷达波流速仪所测定的水面流速值较为接近，雷达波流速仪所测定的水面流速值可以代表和代替LS1206B型流速仪[1]，具体见表2。

表2 LS1206B型流速仪与雷达波流速仪水面流速值的比较

2.2.2 水面流速系数的确定

用LS1206B型流速仪所测得的水面流速和双塔堡水库水文站、高崖站和九条岭水文站相对水深0.6 m测点的流速进行相关性分析，可得双塔堡水库水文站、高崖站和九条岭水文站在低水期水面流速系数分别为0.79、0.83和0.77(具体见表3)，在比测期间，考虑到断面以上降水较少，无大规模洪水，试验值主要表现为低水值，而中高水位水面流速系数只能待后期出现大规模洪水情况下再进行比测试验[2]。

表3 雷达波流速仪所测得的三测站在低水期水面流速系数

3 流量误差分析

在本文所进行的流量比测试验中，长冈水库水库、平江和孤江水文站过水断面面积都通过现有过河缆道测流，测深垂线的布置也主要根据河床起伏及转折变化。在比测过程中，因各测站水位无较大变动，所以断面冲淤也基本保持稳定。而对于洪水期间的流量比测试验，若无法充分运用现有设备进行断面实测，则应通过借用断面的方式进行对比分析。即在汛期开始前，先进行所监测河段的大断面测量，并以此为基础根据洪水期内河道面积进行洪水流量推求，待洪水期过后进行断面遭受洪水冲刷程度的监测，根据监测结果准确推求洪水流量。

就长冈水库水库、平江和孤江水文站比测试验而言，选用15次该测站电动缆道施测流量，并用LS1206B流速仪进行水面系数计算，再用雷达波流速仪所测得的水面流速系数乘以所确定出的水面系数，便可得到雷达波流速仪施测流量。通过分析双塔堡水库水文站水位～流量关系及对雷达波流速仪所测得流量的误差统计，可得出50%、75%和95%累计频率下流量误差分别为2.7%、7.4%和9.2%，流量误差均值为0.6，具体见表4。而其余两个测站因流量测次过少，而无法满足统计分析的要求，所以无法得出具体分析结论。

表4 双塔堡水库水文站雷达波流速仪流量测验误差统计

根据《河道流量测验规范》，本文所进行的流域不同测站常规流速仪和雷达波流速仪比测试验结果符合该测验规范的相关规定[3]，说明雷达波流速仪可用于该测站低水期流量测验。

4 结语

本文通过对长冈水库水库、平江和孤江雷达波流速仪水面流速系数的比测分析得出，在水位幅度变化不大且含沙量较小的低水位区域，雷达波流速仪与长冈水库水库、平江和孤江水文站常用流速仪水面流速相关系数分别为0.98、0.95和0.99；三个测站水面流速系数分别为0.79、0.83和0.77，水面流速系数的取得为测站雷达波流速仪与常用流速仪水面流速相关系数分析提供了数据支撑。此外，以长冈水库水库、平江和孤江水文站水面流速系数0.79为断面流速计算依据，进行实测流量和雷达波流速仪所测流量误差的统计，结果显示，在50%、75%和95%的累计频率下，实测流量误差为2.7%、7.4%和9.2%，满足相关规范要求，也反证了比测结果的准确性。通过对双塔堡水库水文站雷达波流速仪流量测验断面比测的分析发现，固定垂线的水面流速V雷0.0与V常0.0有较好的相关性，雷达波流速仪在该测站的应用完全满足常规河段中低水流量测验精度的要求。