樊军文

（商洛水文水资源勘测中心,陕西 商洛 726000）

0 引言

电波流速仪法测流是《河道流量测验规范》（GB 50179-2015）对流量测验超出常规手段的高洪流量测验时采用的方法之一,高洪流量测验按“安全、高效、快捷”的原则,首选电波流速仪进行高洪测验。《水文巡测规范》（SL 195-2015）在规范性附录E中对电波流速仪测流进行了介绍,电波流速仪分为人工测速、自动测速、自动扫描式三种。人工测速的电波流速仪（手持式电波流速仪）需要人为操作,一次仅测量水面某一点流速。灵口水文站配备了一台人工测速的手持电波流速仪。为了发挥电波流速仪的作用,确保高水发生时能安全、高效、快捷地测好洪水,需要对电波流速仪测量的水面流速计算的虚流量转换成为实流量。如何将虚流量转换成实流量,确定电波流速仪水面流速系数最为关键。本文借用《水文巡测规范》（SL 195-2015）、河南省地方标准《电波流速仪测流规程》（DB/T 2229-2022）、《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）对灵口水文站手持电波流速仪水面流速系数进行试验分析,抓住中、高洪水发生时机,应用缆道转子流速仪与手持电波流速仪同时测流,积累一定的试验次数,率定出电波流速仪水面流速系数。

1 测速方法与系数试验方法

1.1 测速方法

电波流速仪（手持式电波流速仪）一般架设在桥梁或稳定的水文吊箱上,正对水流测速,使其波束线与水面夹角不超出仪器测量的俯角允许值范围。手持式电波流速仪一般只需手持对准水面就可测速。测速中,需要保持仪器稳定,传感器轴线在水平方向上与流向的加角和俯角保持在规定范围。

1.2 系数试验方法

《水文巡测规范》（SL 195-2015）E7：用电波流速仪测量值计算垂线平均流速的水面一点法垂线平均流速系数宜使用转子式流速仪法进行比测率定。

借用河南省地方标准《电波流速仪测流规程》（DB/T 2229-2022）对系数试验提出要求：电波流速仪系数试验应包含中、高水,试验次数应不少于20次,且通过符合检验、适线检验、偏离数值检验。

采用直接比测法进行系数试验：根据测验断面水面宽度及河底转折变化情况,合理布设测速垂线；采用转子式流速仪实测垂线流速,同时采用电波流速仪实测该垂线水面流速；计算代表垂线平均流速；垂线平均流速除以电波流速仪实测水面流速,计算出该垂线流速系数；根据每条垂线的流速系数,采用流量加权法计算全断面综合流速系数。

1.3 测速断面选择

（1）水文站基本断面为转子流速仪测速断面。

（2）手持电波流速仪测流断面选择基本断面下游150 m的跨河大桥附近断面,借助大桥布设电波流速仪测流。根据仪器补偿垂直角小于60°和有效测程的要求,保证精度前提下,选择合适的测量位置；每个测验点测速历时不少于60 s。

1.4 流速测验位置选择

（1）转子流速仪测验,测速垂线数量及位置布设、流量计算符合《河道流量测验规范》（GB 50179-2015）和《测验任务书》规定。

（2）手持电波流速仪测验,测速垂线数量及位置布设符合《河道流量测验规范》（GB 50179-2015）的规定。

2 灵口水文站概况

灵口水文站建于1959年10月,位于南洛河上游,控制河长124 km,控制流域面积2476 km2,河流平均比降7.04%。建站以来发生3场较大洪水分别为：2003年8月28日洪水,实测最大流量3050 m3/s；2020年8月6洪水,实测最大流量2680 m3/s；2021年7月23日洪水,实测最大流量3140 m3/s,为建站以来最大洪水。

灵口水文站测验河道顺直,河床由卵石、粗砂组成。左岸为简易河堤,右岸为公路简易护基,河道主流一般集中在起点距20 m～80 m之间。

断面下游150 m有跨洛河大桥一座,该大桥设计抗洪能力为100年一遇。之间无支流汇入,流量不变。

3 电波流速仪测验断面确定

根据电波流速仪测流规范,该仪器向水面反射一定频率的电磁波（雷达波）,通过检验被水面反射回来的回波频移的大小,由处理器解算水面流速的大小。仪器离水面距离应符合仪器安装要求,传感器轴线在水平方向上与流向的夹角不宜超过30°,俯角宜在22°～45°之间。

灵口水文站配备的手持电波流速仪SVR,IC：1270-GVPD,编号：SVR2-01683,符合在桥上测速。故选择本断面下游150 m的大桥开展试验。

4 电波流速仪技术参数

SVR手持式表面测速雷达,测速原理：多普勒雷达；测速范围：0.03 m/s～20 m/s；测速精度：±0.03 m/s；测速历时：0～99.9 s；电波发射角：12°；电波发射标准功率：10 mW；电波频率：24GHz；适用环境：全天候,雨天可正常测流；工作温度：-30～+70℃；角度补偿：水平、垂直角度自动；存储大小：100个测量结果。

5 电波流速仪系数分析

5.1 试验方法

在灵口水文站基本断面采用缆道悬挂转子流速仪施测流速的同时,在下游150m处的洛河大桥上用手持电波流速仪施测水面流速,采取流速仪法施测流量与电波流速仪施测流量,分析确定系数。

5.2 试验次数

灵口水文站从2019年开始进行手持电波流速仪系数对比试验,截止2021年共取得20次试验资料,其中：2019年～2020年对比试验9次；2021年对比试验11次。

5.3 系数分析

流速系数及误差计算结果见表1,试验的20次成果跨度3年,包含中、高洪水,符合规范要求。分别计算断面转子流速仪实测流量和电波流速仪测速虚流量。以转子流速仪计算的流量为分子,以电波流速仪计算的虚流量为分母,计算系数。取其20次系数的平均值,得到0.788。综合分析取水面流速系数为0.8,计算电波流速仪实测流量,见表1。

表1 流速系数及误差计算表

5.4 三项检验

依据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）关系曲线检验有关规定,对采用水面流速系数为0.8计算的电波流速仪测流成果进行符号检验、适线检验、偏离检验。灵口站电波流速仪系数采用0.8计算流量成果三项检验表见表2。

表2 灵口站电波流速仪系数采用0.8计算流量成果三项检验表

5.5 成果分析

根据对比试验的20次流量成果,经分析取电波流速仪水面流速系数为0.8,经符号检验、适线检验、偏离数值检验均合格。与灵口站已有的浮标系数、流速仪水面系数对比：该站均匀浮标水面系数0.85、中泓浮标水面系数0.71,流速仪水面系数0.9。基本测流断面宽105 m左右,电波流速仪测流断面宽150 m左右,断面宽相差45 m,电波流速仪测流断面与灵口站基本断面相距150 m,断面面积和水面流速均发生变化,电波流速仪水面流速系数0.8小于转子流速仪水面流速系数和均匀浮标水面流速系数,符合规律性。

6 结论与注意事项

6.1 结论

通过分析得出电波流速仪测流水面流速系数为0.80。灵口水文站应用缆道流速仪无法完成实测流量时,应用手持电波流速仪桥上测流。当洪水威胁大桥安全时,为确保人身安全,职工不能上桥测流,改用浮标法测流。

6.2 注意事项

1）汛前及洪水过后及时施测电波流速仪测流断面,设立水尺,标注起点距,为采用电波流速仪测流应用断面作好准备。

2）职工应充分了解仪器性能,熟练掌握操作规程,努力减少人为误差。

3）测流时保持手持电波流速仪稳定,减少抖动。

4）仪器偏角、俯角至少测量三次,取平均值。

5）仪器传感器轴线在水平方向上与水流流向的夹角不宜超过30°,俯角保持在45°。

6）大风对水面流速有影响,不宜采用电波流速仪测速。

7）测量水面流速过程中,准确判断主流并加测水面流速,确保最大流速不漏测。