丰亚丽

（辽宁省盘锦水文局，辽宁 盘锦 124000）

0 前言

目前我国测报一体化主要取决于流量、泥沙的自动测报。近十年，雨量、水位、蒸发、墒情自动监测技术已日趋成熟，就辽宁省而言，当前，雨量站、水位站已完全实现遥测，而流量、泥沙自动监测站却寥寥无几［1]。目前流量测验仍以传统的流量测验方法作为主要的测验手段。如流速仪法［2]、浮标法［3]（中泓漂浮物）及比降面积法［4]。高洪流量测验对防汛决策意义重大，尤其是高洪流量对水利、交通以及防洪工程的影响均较高，因此进行高洪应急测验方式的研究十分重要。但洪峰流量较大时，河流流速较大，水深较高，河流水位上涨下落速率较快，洪水携带大量的泥沙和漂浮物使得水文测验难度较大，流量测验的安全系数较低［5]。在常规测流方式中，流速仪以及ADCP 法测验精度较好，但是测流仪器都需要和水面进行接触，受到高洪水影响安全性难以得到有效保证。比降面积法和中泓浮标法的操作原理较为方便，且安全性能较好，但是测验精度很难得到保证［6]。电波流速仪通过对水流表面的流速进行测定，建立表面流速和断面平均流速之间的相关性，来对断面流量进行推求。近些年来在一些地区河流应急监测中得到广泛应用［7-12]，通过比测分析，电波流速仪在高洪应急监测的精度可满足测验基本要求。近些年来，电波流速仪已逐步在辽东地区得到应用，但在中小河流高洪应急监测中应用还较少，而当前中小河流已成为防汛关注的重点区域，其高洪水的及时监测，可为中小河流防汛决策提供重要的数据支撑。为此本文以辽东地区某中小河流测站为实例，探讨电波流速仪在中小河流高洪监测的精度。

1 电波流速仪测定原理

电波流速仪是利用雷达多普勒效应来测定水流的流速，对雷达波反射距离和雷达接收参数进行定量分析。雷达发射和天线增益功率分别为Pt和Gt，目标距离天线R距离的功率密度ρ1的计算方程为：

电磁照射将使得目标返回散射波，假定目标散射面积为σ，并假定接收的辐射功率能够使得散射目标损耗最低，则反射的功率目标值Ps计算方程为：

每个目标散射单位面积为σ0，雷达波及反射角度的分辨率分别为ΔR和Δθ，河流按照距离和单位划分的面积需要满足的条件为：

假设PS均匀辐射，则在接收天线处收到的回波功率密度P2为：

为保证雷达发射波距离目标较近，回波接收雷达功率Pr需要符合检测信号功率Smin的最低值，即为雷达波反射距离的最大值Rmax需要满足的条件为：

实际探测中，难以准确预测目标的有效反射面积、系统损耗等参数，因此雷达方程常用来作为一个估算雷达性能的公式。

2 电波流速仪的主要特点和操作步骤

2.1 主要特点

电波流速主要特点为：①总重1.3 kg，水文测验人员可独立进行流量测定工作。②耗电少，内置电池可持续工作5 h，没有任何操作情况下每隔5 min 电波流速仪自动关机。③可对仰俯角通过内置的倾斜传感器进行自动改正，水平改正角则通过人工进行修正。④在天气较为恶劣情况下可正常使用。

2.2 操作步骤

电波流速仪通过测定表面流速，建立表面流速和断面平均流速的关系，来对断面流量进行推求，水流表面的漂浮物和水流波动都能使得电波流速仪的测流精度产生一定程度的影响，因此在具体使用时，开机后立即进行流速的测定，起始时间为10 s，每间隔5 s 进行下一次流速的测定，1 min 后流速测定过程结束，对测定的流速进行时段平均值的计算。

当测验河段有桥面，则电波流速仪可以安装桥梁上，将电波流速仪对准水流，并平行于水流方向，按MENU 键，选择COS项，将水平改正角度置为0°；选择U 项，将流速单位改为EUR（m/s）。按MODE 键，将显示分辨率设置成100 ths，倾斜雷达枪，俯角不要超过60°，且使雷达枪保持在恒定的俯角位置，面向水流或顺着水流测量水面流速。

3 对比观测流量测验的精度评定方法及误差标准

按照《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）相关要求，按照以下方程对不同标准差的流量分量进行估算：

式中：SY表示为相对流量分量标准差，%；表示不同流量分量的均值；Yi表示第i个流量分量的测验值。

在此基础上结合不确定度来分析流量测验精度，在不同水位级别下对总不确定度进行估算，各独立流量分量的随机不确定度按照95%置信水平进行估算：①当对比分析的样本数据系列高于30 的情况下，随机不确定度为相对标准差的2 倍；②当对比分析的样本数据系列小于30 的情况下，按照T 检验的相对标准差和检验值进行相乘得到综合不确定度。

表1 不同水平对应的检验值

结合仪器出厂时率定的指标对其不确定度进行分析，当流量剖分成相互独立的分量后，对总随机不确定度进行分析：

4 对比观测分析

4.1 站点概况

本文以辽宁某中小河流站为实例，水文测站以上的流域面积为854 km2，属于三类测验精度站，测验河段主河道水流向左偏转，高洪期间流速大，河道平均比降较大，在测验断面下游的300 m 处有一个急湾，左岸和右岸分别为砂土缓坡和砂石陡坡，沙卵石为其河床主要组成，河段断面冲淤变化较为稳定。

4.2 流速系数分析

雷达枪测速的稳定性，需要同流速仪进行比测检验。通过多条测速垂线上雷达枪与流速仪比测试验，检验雷达枪测得表面流速沿断面横向分布与流速仪是否一致，检验雷达枪表面流速与流速仪垂线平均流速两者相关关系。理论上，两者流速应存在固定的比值关系（即水面流速系数），但实际上多次实验总是存在着测验误差，致使各次比值大小不一。比值变化范围越小，两种仪器测速拟合度越高，也就是说明雷达枪测速的稳定性越好。众所周知，断面面积相同的情况下，雷达枪与流速仪测得的流量主要取决于相应的流速。所以水面流速系数可以作为判断雷达枪稳定性的一个重要指标。系数的取值直接影响流量定线精度。这里引用二类站单一曲线法定线精度指标作为控制标准，当雷达枪水面流速系数置信水平95%的随机不确定度不大于10%，则认为雷达枪测速稳定可靠，满足流量定线精度，可以使用。对研究站点进行6 个测次的电波流速仪与传统转子流速仪流速系数的对比分析，见表2 和表3。

表2 电波流速仪与传统转子流速仪流速系数对比（测次1～测次3）

表3 电波流速仪与传统转子流速仪流速系数对比（测次4～测次6）

通过对研究站点6 个测次下电波流速仪和转子流速仪的流速系数对比结果可看出，得出采用电波流速仪下综合水面流速系数为0.84，综合不确定度为2.2%。满足河流高洪应急测验的规范要求，即当电波流速仪水面流速系数置信水平为95%的随机不确定度不大于10%，则认为雷达枪测速稳定可靠，满足流量定线精度，可以使用。在具体使用电波流速仪进行高洪应急监测时，按MENU 键，选择COS 项，将水平改正角度置为0°；选择U 项，将流速单位改为EUR（m/s）。按MODE 键，将显示分辨率设置成100 ths，倾斜雷达枪，俯角不要超过60°，且使雷达枪保持在恒定的俯角位置，面向水流或顺着水流测量水面流速。

4.3 测验精度对比分析

结合测定的综合流速系数对比分析了电波流速仪和传统流速下的流量测定精度，结果见表4。

表4 电波流速仪和传统流速仪的流量测定对比结果

结合对水文测站的观测试验分析，电波流速仪在高洪应急测验上具有一定的精度，若操作和使用较为准确，电波流速仪测定精度可有效满足高洪应急监测的需求。但是，外部环境情况也可能导致不同的情境出现，从而导致显示错误的速率。例如，目标处于工作范围外；工作范围内有干扰信号等。电机产生的EMI 干扰，无线电频率干扰，其它电子设备干扰，会使得测验产生一定的误差，当流速处于0.2 m/s～0.5 m/s 之间，恶劣天气影响程度较高。因此电波流速仪在高洪应用的效果较好，此外由于电波流速仪不能对水深进行测定，因此需结合断面测量数据对流量进行分析，由于其对断面变化要求较高，在具体应用中，应尽量选择顺直的测验河段，降低环境影响，

5 分析结论

（1）通过测站对比试验分析，电波流速仪可以应用在中小河流高洪流量应急测验上，由于电波流速仪不能对水深进行测定，因此需结合断面测量数据对流量进行分析，由于其对断面变化要求较高，在具体应用中，应尽量选择顺直的测验河段，降低环境影响。

（2）高洪应急测验时，应使电波流速仪的指向平行于河流水向，调整电波流速仪的俯角小于60°并对水平角度进行改正，从而保证电波流速的高洪应急测验精度。