丹东地区电波雷达流速转换系数率定探讨

2021-06-16卞晓颖

黑龙江水利科技 2021年5期

卞晓颖

(法库县农业技术推广与行政执法中心，辽宁法库 110400)

0 引言

电波雷达流速通过测定水流表面流速，通过流速系数转换系数得到断面平均流速，在结合过水断面面积可以推求断面流量，这种方式目前成为我国河流应急水文监测的一种重要方式得到推广和应用[1-5]。电波流速仪需要对其流速转换系数进行率定才可以对断面平均流速进行推求，因此需要对其流速转换系数进行分析，当前，对于电波雷达流速仪转换系数推求主要采用对比观测试验的方式进行，通过同一个观测断面进行对比观测试验分析，对电波流速仪测定的表面流速和实测断面平均流失之间的系数进行分析，从而得到电波流速仪的转换系数[6-15]。丹东地区属于辽宁省暴雨洪水易发区，区域山区型河流较多，洪水陡涨陡落，为保证突发洪水测流的时效性，需要采用电波雷达流速仪进行应急观测，从而加密水文观测的次数，为防汛决策提供及时有效的支撑依据。为此文章采用对比观测试验的方式，以丹东沙里寨水文站为研究站点，分析其电波雷达流速转换系数，从而为电波雷达流速仪在丹东地区的推广和应用提供参考。

1 电波雷达的测流原理

电波雷达主要基于多普勒效应对水流表面流速进行测定，水面波动以及悬浮物都可以为电波雷达提供反射能量。电波雷达可对水流高速流转状态下的表面流速进行较为快速的测定。具体测流时，打开电波雷达的开光后朝向水面进行发射信号，即开始进行流速测定工作。初始发射时间维持在10s，此后每间隔5s钟进行一次观测，一般测流时间控制在1min以内，这段时间测定的是水面平均流速值。电波雷达由于重量较轻可以单人手持也可以架设在三角架上，此外电波雷达由于耗电量不高，可以实现5小时以上连续工作，可满足多次测流的要求。电波雷达由于内置倾斜传感器，可以对水平改正较和仰俯角进行手动选择和自动改正，在异常天气条件下具有防雨淋的功能。

2 测流方式及站点概况

2.1 测流方式

电波雷达一般在测验河段上的桥梁进行流速测定工作，手持电波雷达在桥上对准水面目标进行信号发射，水流流向一般和电波雷达保持平行，首先在电波雷达的MENU键选择COS项对水平改正角度进行调整，调整初始水平改正角度为0°。将流速单位设置按照U项进行选择，改为为EUR(m/s)。将显示分辨率选择MODE键调整100ths，在具体使用电波雷达时，需要对雷达枪进行倾斜，且倾斜的俯角低于60°。电波雷达顺着水流或者面向水流方向且保持在恒定的俯角位置对水体表面流速进行测定。

2.2 测站概况

文章选择丹东沙里寨水文站为研究实例，测验河段顺直长约400m，河槽为单式U字形，较平坦，河床为细纱卵石组成。两岸为石砌护岸，岸上为公路，高程78m以上。中高水河宽约500m。基本断面上游150m处有本年新修建的橡胶坝一座，不能仪测流量和含沙，中高水可用浮标、比降施测流量。在基本断面上游385m有公路大桥一座，为中高水测流断面。基上100m为比降上兼浮标上断面，基下100m为比降下兼浮标下断面，基上385 m为流速仪测流断面。

3 精度评价方法

需要采用传统流速仪比测的方式对电波雷达的测验精度进行分析。通过布设多条测速垂线采用流速仪和电波雷达的比测方式进行检验，对各垂线平均流速和电波雷达测定的表面流速进行一致性检验。理论上，垂线平均流速和电波雷达测定的表面流速存在一个比值关系，即为水面流速系数，但在比测试验中由于存在一定的测验误差，使得各比测试验该水面流速系数大小不一致，该系数值越小表面两种对比观测仪器之间的拟合程度越高，说明电波雷达的稳定程度越高。一般情况下，在相同的断面面积下，传统流速仪和电波雷达测定的流量大小直接由流速大小决定。因此电波雷达稳定性评定的一个重要指标即为水面流速系数。流量定线的精度直接受到水面流速系数的直接影响。沙里寨文站为二类水文测站，因此采用河流流量测验规范要求，二类水文站电波雷达在95%的置信度水平下的随机不确定度低于10%，则表明电波雷达测定的流速较为可靠的稳定性，满足流量定线的精度要求。

4 比测试验结果

4.1 流速横向分布检验

将对比观测中电波雷达和传统流速仪在同一位置进行流速的观测，分析电波雷达和传统流速仪的流速值，得到流速转换系数，见表1，对传统流速仪垂线平均流速和雷达枪表明流速进行分析，从而验证两种仪器流速横向分布的一致性。

表1 沙里寨水文站不同时期水位值

从不同起点距可看出，随着起点距的增加，流速转换系数变化规律性不明显，起点距对流速转换系数影响程度不高。此外，流速转化系数越高，不确定度越大，表明流速转换系数和不确定度之间具有较为显著的相关性。这主要是因为电波雷达流速仪测定的水流的表面流速，而传统转子流速仪测定的是断面平均流速，一般而言表面流速要高于断面平均流速，因此电波流速仪测定的流速较为合理。在不同起点距下，电波流速仪和转子流速仪之间的转换系数总体在0.56-0.94之间，且横向分布具有同步性。各起点距的转换系数的均值为0.85，单次测验的不确定度为10.9，可满足河流流量测验的规范要求。

4.2 测验精度分析

通过对本站低中高水的进行8次对比观测试验，得出综合水面流速系数为085，为进一步验证系数的可靠性，建立雷达枪与流速仪水位流量关系。结果见表2。

表2 丹东沙里寨水文站电波流速仪和传统转子流速仪流速测定对比结果

表2 电波流速仪与转子流速仪水位流量关系分析结果

续表2 电波流速仪与转子流速仪水位流量关系分析结果

从不同基本水尺水位下未转换前电波流速仪流量和电波雷达流速系数可看出，电波雷达系数为0.85，在未转换前，电波雷达流速仪流量和转子流速仪之间测定的流量误差较大，通过分析测定流量之间的误差高于20%，很难满足水文测验的精度要求。这主要是因为电波雷达流速仪主要测定的河流表面流速，而表面流速均要高于断面平均流速，使得未转换前电波雷达流速仪测定的流量明显要高于转子流速仪测定的流量。而进行雷达流速系数转换后，转换后的电波雷达流量和转子流速仪测定的流量之间的误差均低于20%，可满足河流测验的规范要求，尤其是可满足河流应急测验的规范要求。丹东一般为山区型河流，河流断面冲淤变化较大，在采用电波雷达流速仪进行流量测定时流速转换系数采用值为0.85，从转换后的水位流量关系看出，电波流速仪在高水位时水位流量关系一般较为稳定，而在低水位由于流速较小，电波流速仪测定的水位流量关系受外界影响因素较多，稳定性不高。