孫 穎

(盤(pán)山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)山 124000)

0 引 言

當(dāng)前中小河流洪水成為防汛關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，中小河流由于大都處于比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)，沒(méi)有駐站人員完成定期的流量測(cè)驗(yàn)，大都采取巡測(cè)方式進(jìn)行流量測(cè)定[1]。中小河流洪水陡漲陡落，采用傳統(tǒng)測(cè)流方式，洪水的時(shí)效性很難得到有效滿足，常常措施洪峰觀測(cè)的最佳時(shí)機(jī)[2]。為此如何提高中小河流巡測(cè)的時(shí)效性成為近些年來(lái)水文科研工作研發(fā)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，一些流量測(cè)定產(chǎn)品也逐步被研發(fā)和應(yīng)用，這其中電波流速儀由于體積下，測(cè)定速率快，在許多地區(qū)中小河流水文巡測(cè)中得到應(yīng)用，尤其是應(yīng)急測(cè)流方面，應(yīng)用覆蓋面較大[3-9]。電波流速的測(cè)流原理在于通過(guò)對(duì)水流表面流速進(jìn)行測(cè)定，建立表面流速和斷面平均流速之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，將表面流速轉(zhuǎn)換得到斷面平均流速，再將得到的斷面平均流速和斷面面積進(jìn)行相乘得到通過(guò)斷面的流量。電波流速儀能被正常使用的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定，而電波流速儀的轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定在我國(guó)許多流域進(jìn)行了分析和研究，通過(guò)分析表明該轉(zhuǎn)換系數(shù)受河流特性影響較為明顯，需要針對(duì)不同類(lèi)型河流，通過(guò)對(duì)比觀測(cè)方式，從而確定其流速轉(zhuǎn)換系數(shù)。為提高阜新地區(qū)中小河流應(yīng)急測(cè)流能力，文章通過(guò)對(duì)比觀測(cè)方式對(duì)電波雷達(dá)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行率定，分析阜新地區(qū)的最佳流速轉(zhuǎn)換系數(shù)。研究成果對(duì)于阜新地區(qū)中小河流監(jiān)測(cè)時(shí)效性具有重要的支撐作用。

2 電波雷達(dá)的測(cè)流原理

電波雷達(dá)主要基于多普勒效應(yīng)對(duì)水流表面流速進(jìn)行測(cè)定，水面波動(dòng)以及懸浮物都可以為電波雷達(dá)提供反射能量。電波雷達(dá)可對(duì)水流高速流轉(zhuǎn)狀態(tài)下的表面流速進(jìn)行較為快速的測(cè)定。具體測(cè)流時(shí)，打開(kāi)電波雷達(dá)的開(kāi)光后朝向水面進(jìn)行發(fā)射信號(hào)，即開(kāi)始進(jìn)行流速測(cè)定工作。初始發(fā)射時(shí)間維持在10s，此后每間隔5s進(jìn)行1次觀測(cè)，一般測(cè)流時(shí)間控制在1min以內(nèi)，這段時(shí)間測(cè)定的是水面平均流速值。電波雷達(dá)由于重量較輕可以單人手持也可以架設(shè)在三角架上，此外電波雷達(dá)由于耗電量不高，可以實(shí)現(xiàn)5h以上連續(xù)工作，可滿足多次測(cè)流的要求。電波雷達(dá)由于內(nèi)置傾斜傳感器，可以對(duì)水平改正較和仰俯角進(jìn)行手動(dòng)選擇和自動(dòng)改正，在異常天氣條件下具有防雨淋的功能。

3 測(cè)流方式及站點(diǎn)概況

3.1 測(cè)流方式

電波雷達(dá)一般在測(cè)驗(yàn)河段上的橋梁進(jìn)行流速測(cè)定工作，手持電波雷達(dá)在橋上對(duì)準(zhǔn)水面目標(biāo)進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，水流流向一般和電波雷達(dá)保持平行，首先在電波雷達(dá)的MENU鍵選擇COS項(xiàng)對(duì)水平改正角度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整初始水平改正角度為0°。將流速單位設(shè)置按照U項(xiàng)進(jìn)行選擇，改為為EUR(m/s)。將顯示分辨率選擇MODE鍵調(diào)整100ths，在具體使用電波雷達(dá)時(shí)，需要對(duì)雷達(dá)槍進(jìn)行傾斜，且傾斜的俯角<60°。電波雷達(dá)順著水流或者面向水流方向且保持在恒定的俯角位置對(duì)水體表面流速進(jìn)行測(cè)定。

3.2 測(cè)站概況

文章選擇阜新地區(qū)彰武水文站作為研究實(shí)例，彰武水文站位于柳河中游，流域面積4985km2，柳河發(fā)源于內(nèi)蒙古庫(kù)倫旗扣河子鎮(zhèn)五星村，全長(zhǎng)297 km，彰武站至河口距離為73 km，區(qū)間面積934 km2。流域地理位置為E122°10′05″-122°31′06″，N42°20′10″-42°50′30″。測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約2000m，河心有沙灘，枯水形成分流，流心擺動(dòng)不定，洪水時(shí)比降大、淤柴多、含沙量大，最大河寬443m?；舅邤嗝嫔嫌?30m處有建站前修建的鐵路橋一座。兩岸土堤，河床為細(xì)沙組成，洪水時(shí)漲沖落淤，河床變化較大。彰武水文站不同時(shí)期水位值，見(jiàn)表1。

表1 彰武水文站不同時(shí)期水位值

4 精度評(píng)價(jià)方法

需要采用傳統(tǒng)流速儀比測(cè)的方式對(duì)電波雷達(dá)的測(cè)驗(yàn)精度進(jìn)行分析。通過(guò)布設(shè)多條測(cè)速垂線采用流速儀和電波雷達(dá)的比測(cè)方式進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)各垂線平均流速和電波雷達(dá)測(cè)定的表面流速進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。理論上，垂線平均流速和電波雷達(dá)測(cè)定的表面流速存在一個(gè)比值關(guān)系，即為水面流速系數(shù)，但在比測(cè)試驗(yàn)中由于存在一定的測(cè)驗(yàn)誤差，使得各比測(cè)試驗(yàn)該水面流速系數(shù)大小不一致，該系數(shù)值越小表面兩種對(duì)比觀測(cè)儀器之間的擬合程度越高，說(shuō)明電波雷達(dá)的穩(wěn)定程度越高。一般情況下，在相同的斷面面積下，傳統(tǒng)流速儀和電波雷達(dá)測(cè)定的流量大小直接由流速大小決定。因此電波雷達(dá)穩(wěn)定性評(píng)定的一個(gè)重要指標(biāo)即為水面流速系數(shù)。流量定線的精度直接受到水面流速系數(shù)的直接影響。龍灣水文站為二類(lèi)水文測(cè)站，因此采用河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，二類(lèi)水文站電波雷達(dá)在95%的置信度水平下的隨機(jī)不確定度<10%，則表明電波雷達(dá)測(cè)定的流速較為可靠的穩(wěn)定性，滿足流量定線的精度要求。

5 比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

5.1 流速橫向分布檢驗(yàn)

將對(duì)比觀測(cè)中電波雷達(dá)和傳統(tǒng)流速儀在同一位置進(jìn)行流速的觀測(cè)，分析電波雷達(dá)和傳統(tǒng)流速儀的流速值，得到流速轉(zhuǎn)換系數(shù)，對(duì)傳統(tǒng)流速儀垂線平均流速和雷達(dá)槍表明流速進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證兩種儀器流速橫向分布的一致性。彰武水文站電波流速儀和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀流速測(cè)定對(duì)比結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 彰武水文站電波流速儀和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀流速測(cè)定對(duì)比結(jié)果

從對(duì)比結(jié)果可看出，在同一起點(diǎn)距位置電波雷達(dá)流速儀測(cè)定的流速均高于轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定的流速值，這主要是因?yàn)殡姴ɡ走_(dá)流速儀測(cè)定的水流的表面流速，而傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定的是斷面平均流速，一般而言表面流速要高于斷面平均流速，因此電波流速儀測(cè)定的流速較為合理。在不同起點(diǎn)距下，電波流速儀和轉(zhuǎn)子流速儀之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)總體在0.56-0.94之間，且橫向分布具有同步性。各起點(diǎn)距的轉(zhuǎn)換系數(shù)的均值為0.82，單次測(cè)驗(yàn)的不確定度為10.6，可滿足河流流量測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求。

5.2 測(cè)驗(yàn)精度分析

通過(guò)對(duì)本站低中高水的進(jìn)行8次對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，得出綜合水面流速系數(shù)為082，為進(jìn)一步驗(yàn)證系數(shù)的可靠性，建立雷達(dá)槍與流速儀水位流量關(guān)系。電波流速儀與轉(zhuǎn)子流速儀水位流量關(guān)系分析結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 電波流速儀與轉(zhuǎn)子流速儀水位流量關(guān)系分析結(jié)果

從電波流速儀測(cè)定的流量和轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定的彰武水文站流量可看出，未將電波流速儀表面流速和斷面平均流速進(jìn)行轉(zhuǎn)換前，彰武水文站采用電波流速儀測(cè)定的流量和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定的流量之間的誤差>20%，不能滿足河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求，規(guī)范要求測(cè)流誤差需要控制在±20%以內(nèi)。采用電波流速儀流速轉(zhuǎn)換系數(shù)后，得到轉(zhuǎn)換后的電波雷達(dá)流量，將電波流速儀測(cè)定的表面流速轉(zhuǎn)換成斷面平均流速，得到轉(zhuǎn)換后的電波雷達(dá)測(cè)定流量，從轉(zhuǎn)換結(jié)果可看出，轉(zhuǎn)換后的電波雷達(dá)測(cè)定流量和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定流量之間誤差在10%范圍內(nèi)，可滿足河流流量測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求，轉(zhuǎn)化后的電波測(cè)定流量和轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)定的流量之間的相關(guān)系數(shù)在0.7以上。阜新地區(qū)河流類(lèi)型較為相似，一般為山區(qū)型河流，河流斷面沖淤變化較大，在采用電波雷達(dá)流速儀進(jìn)行流量測(cè)定時(shí)流速轉(zhuǎn)換系數(shù)采用值為0.82，從轉(zhuǎn)換后的水位流量關(guān)系看出，電波流速儀在高水位時(shí)水位流量關(guān)系一般較為穩(wěn)定，而在低水位由于流速較小，電波流速儀測(cè)定的水位流量關(guān)系受外界影響因素較多，穩(wěn)定性不高。

6 結(jié) 語(yǔ)

1)電波流速儀在阜新地區(qū)中高水位時(shí)，測(cè)定的流量和水位具有較好的穩(wěn)定性，因此適合于阜新地區(qū)中、高水位河流的應(yīng)急測(cè)流，而高流速下，電波流速儀的流速測(cè)定誤差有所增高，因此建議在具體適用時(shí)，當(dāng)水面流速>3m/s時(shí)，由于電波流速儀測(cè)流精度影響較大，建議可采用浮標(biāo)法進(jìn)行應(yīng)急測(cè)流。

2)由于電波流速儀無(wú)法施測(cè)水深，只能借用斷面計(jì)算流量，這就要求測(cè)驗(yàn)河段斷面穩(wěn)定。實(shí)際工作中，應(yīng)正確選擇測(cè)驗(yàn)河段，盡量避免環(huán)境因素影響，充分利用電波流速一完成高洪流量測(cè)驗(yàn)。