王文浩 梁存峰 张 蔷

（长治市水文水资源勘测分局山西长治046000）

0 引言

目前，山西省中小河流水文监测系统建设项目已完成，中小河流雨量站、水位站、水文站站网已基本覆盖全省主要河流。在中小河流站网建设中，许多新仪器、新技术、新方法广泛应用于水文测验中，使得水文测验技术有了较大的突破。

随着水文科技化、现代化的快速发展，水文测验自动化程度越来越高，无线雷达波测流仪被布置到基本水文站。通过比测试验，可以寻求到无线雷达波与流速仪之间的关系系数，从而为无线雷达波测流的应用提供依据。无线雷达波测流仪可以解决中高洪水测验的困难，缩短测报历时，实现水文测报的自动化、数字化。本文致力于寻求无线雷达波与流速仪测流之间的换算系数，从而为提供新的测验方法开辟道路。

1 仪器设备

1.1 LS68 型流速仪

LS68 型旋杯式流速仪的工作原理是，当流速仪转子应对水流时，转子的设计结构使水流的直线运动产生动量差和转矩，此转矩克服转子的静惯性力和动摩阻及流体阻力后转动起来[1]。LS68 型旋杯式流速仪的旋转阻力很小，低、中速时流速与转子转速直线性能很好。

LS68 型旋杯式流速仪是水文系统基本水文站的主要测量仪器[2]，使用方便、灵活。但施测时旋杯轴需垂直于水流，因此测量流速受人工影响较大。

1.2 无线雷达波测流仪

雷达测速的基本原理是多普勒效应。仪器发送固定频率的雷达波斜向射到水面，一部分雷达波被水面反射回来，反射回来的雷达波被仪器接收，测出发射与反射信号的频差，便可以计算出水面流速[3]。计算公式为[4]：

式中：v——水面的流速，m/s；

C——电波在空气中的传播速度，3×108m/s；

fD——为多普勒频移，Hz；

f0——发射雷达波频率，Hz；

θ——发射波与水流方向夹角，°。

河道流量计算公式：

式中：A——截面面积，m2；

vm——通过截面的流速，m/s；

h——水位，m。

雷达波测流包括手持雷达波测流、无线雷达波测流、在线雷达波测流，应选择无风情况下测流，风力较大时，应测风向、风力，加以改正。

1）测速范围0.20～18.0 m/s；

2）标称测量精度0.03 m/s；

3）波速宽度12°；微波频率34 GHz；

4）最大测程100 m；

5）俯角45°。

相比流速仪，无线雷达波测流具有安全高效、自动化程度高等优点，能够减少人力劳动，数据测量间隔小，可为后期分析提供大量的数据资料，且不受天气等外界因素干扰。

2 水文站基本情况

比测选用的水文站为孔家坡（二）水文站。孔家坡（二）水文站为国家基本水文站，位于沁源县沁河镇孔家坡村沁河上，属黄河流域沁河水系。该站集水面积为1 358 km2，断面以上主河道长度69.3 km，主河道纵坡比降6.0‰。该站主要观测项目为水位、流量、泥沙、降水。测验断面为基本水尺断面，由卵石夹沙组成，断面汛期冲淤变化较大，多年水位流量关系较好。实测最大洪峰流量发生于1993年8月4日，洪峰流量为2 210 m3/s。

3 比测方法及分析

通过比测实验，寻求流速仪测得流量与无线雷达波测得流量间的换算系数。流速仪与无线雷达波流速仪比测时，满足在同一水位，并且测速垂线起点距相同，在同一断面不同水位级情况下得到实测流量共25份。将实测流量数据绘制成图，如图1 所示。从图1 中可以看出，流速仪测得流量与无线雷达波测得流量两者间具有一定的相关性。

图1 流速仪与无线雷达波流量关系图

由于实测数据存在偶然误差，对流速仪与无线雷达波流量关系造成了一定的影响，从图1 中可以看到系列点有一点波动。为了消除其偶然误差的影响，分别点绘流速仪和无线雷达波流速仪水位流量关系曲线，并作水位流量关系曲线检验，曲线检验均合格，水位流量关系曲线见图2，检验结果见表1。

从两条水位流量关系曲线上分别读取同一水位相应流量，点绘流速仪与无线雷达波流量关系图，从图3 中可以看出两者流量数据之间存在较好的线性关系。经相关性分析，得到相关系数r 为0.999 94，接近于1，说明两者流量数据间的相关性很好，可得线性关系式为：

式中：Y——流速仪流量，m3/s；

X——雷达波流量，m3/s。

通过相关性分析，可以得到无线雷达波测流仪与转子流速仪之间的置换系数为0.847 8。在相关分析中，为了推断两变量之间是否真正存在着相关关系，必须对样本相关系数进行检验。

在相关分析中，相关系数是根据有限的资料计算出来的，不免带有抽样误差，因此，为了推断两变量之间是否真正存在相关系数，必须对样本相关系数做统计检验。这种检验的实质在于找出一个临界的相关系数值，只有当样本相关系数的绝对值大于这个临界值，才能在一定的信度水平下推断总体是相关的。除了统计检验外，还可以通过相关系数的机误与相关系数的比较来粗略判断相关关系数是否存在。按照统计原理，相关系数的机误采用《工程水文学》[5]中公式（6-63）进行计算，计算公式如下：

表1 比测成果分析表

图2 LS68 型流速仪与雷达波测流仪水位流量关系曲线

图3 流速仪与雷达波流量相关关系图

式中：r——相关系数；

n——样本的个数。

经过计算，r>4Er，说明两变量之间存在相关关系。

在比测方案中，以转子式流速仪测得值为准进行对比[6]，认为流速仪侧得流量值为真值。参照GB50179-2015《河流流量测验规范》[7]，比测随机不确定度不应超过6%。

为了验证相关分析得到的置换系数合理性，采用公式（3）将雷达波测得流量数据进行转换得到计算流量值，流速仪测得流量为实际流量值，计算值与实际值进行比较，并进行误差分析[8]，分析结果见表2。

表2 比测成果分析表

通过误差分析，绝对误差均值为-0.003，相对误差均值为3.76%，随机不确定度为1.37%，随机不确定度并没有超过6%，结果符合规范要求，无线雷达波测流仪与转子流速仪之间的置换系数为0.847 8 存在一定合理性。

4 结论与展望

经过流速仪与无线雷达波流量比测分析，两者数据之间具有很好的线性关系，并且比测成果均符合河流流量测验规范规定。采用分析成果中的系数，无线雷达波测流仪与转子流速仪之间的置换系数为0.847 8。分析论证后的系数可以为雷达波测流运用提供佐证，并能够提供具有连续性的等时段流量数据信息，能够完整记录流量变化过程，为替代浮标测流实现水文测站测验自动化有重要意义。

但是在比测测验中发现，雷达波探头与水面俯角摆动变化对流量测验有影响，无线雷达波测流仪在低（枯）水测验中流速测得不准确，不建议在低（枯）水情况下使用。