雷 鸣,姜满川

(宝鸡水文水资源勘测中心,陕西 宝鸡 721000)

0 引言

雷达波流速仪是一种用于测量水流表面流速的仪器,被广泛应用于野外巡测、防洪防涝、污水监测等诸多领域。该仪器本身其具备测速快、自动化程度高等特点,尤其适用于汛期和突发状况下的水文监测,由于测速方式为非接触式,不受水面漂浮物、泥沙、水流状态等因素的影响,而且流速愈大,漂浮物愈多,流速愈快,雷达反射波将愈强,反而有利于雷达波流速仪工作,其完全可以用来代替浮标法测流,实现水文流量的快速实时监测。

1 雷达波流速仪技术原理

雷达波流速仪测流系统主要是由系统控制部分、测速控制部分、供电控制部分和软件控制部分四部分组成。而走航式雷达波流速仪的系统控制部分可以依托现有的水文缆道,利用水文缆道实现不同垂线间的流速测量;供电控制部分主要由蓄电池和太阳能电池板组成,也可选配外接电源进行充电;软件控制部分主要由测站的计算机及其流速接收数据处理软件组成;测速控制部分主要由测速雷达组成。

雷达波流速仪是通过发射Ka波段微波,采用多普勒效应,即通过被测物体同仪器间相对运动过程当中产生的多普勒频移进行测量,当物体按照一定速率向着某一方向移动时,受到传播路程差方面的影响,则会在频率及相位方面发生一定的变化,雷达波流速仪就是利用多普勒频移原理进行水流表面流速测定。安装测速部分的行车架接收到前进命令后,会到达指定的测速垂线,首先雷达波流速仪向水流方向发射无线电波,电波在水流区域形成一个椭圆型波束,这个波束的大小取决于天线到水面的距离,当被侧区域距离雷达天线愈远时,这个区域就变的愈大。当电波的能量撞击到水面时,电波能量的一小部分会返回到雷达设置天线,当水中漂浮物越多,其反射回来的电波就会越大,然后雷达设备根据发射和返回信号频率的不同,测定水流速度,测出该点流速以后,装置会将流速信号通过无线通信方式发给RTU控制器,RTU控制器再将实时流速发给软件控制系统,在软件操作界面接收到流速数据后通过流速面积法计算流量,水道断面面积可使用实测资料或借用大断面施测资料,最后得出断面的平均流量,在整个测速过程中雷达波流速仪具有较强的信号,不容易受到来自外界因素的干扰,因此具有较为准确的测量特性(图1)。

图1 雷达流速仪原理示意图

2 雷达波流速仪在水文测验中的应用

2.1 比测仪器

雷达波流速仪、转子式流速仪。雷达波流速仪参数:测速范围0.20～18.00 m/s,最大有效测程60 m,发射角度45°,微波功率50毫瓦,ka波段频率34.7 GHz,搭载平台为水文缆道。

2.2 仪器特性

雷达波流速仪采用非接触式测流,相比转子流速仪不受含沙量、水面漂浮物的影响,具有测速历时快,携带便捷等特点。同时,雷达可以设置不同发射频率,在多点近距离探测时,可有效地避免相邻产品的雷达波束互扰影响。另外,监测单位可根据探测获得的速度值(多点测量),加之河道断面几何形状信息等,对天然河流、城市河流、渠、管道剖面水流量进行测定。

3 测验资料分析

3.1 试验场地概况

拓石水文站设立于2003年6月1日,位于宝鸡市陈仓区拓石镇,地处东经106°32′、北纬34°30′,集水面积29 092 km2,距河口470 km。本站为渭河入陕第一站,属省级重要站,测验河段顺直,左岸为人工砌石护岸,右岸为自然坡岸,本站测验断面共设有3个,分别为上、下比降水尺断面、基本水尺断面,基本水尺断面同时作为浮标中断面和流速仪测流断面,上下断面间距离为150 m。基本水尺断面架设有水文缆道一座,基上70 m处有一水泥大桥,受桥墩疏水影响,主流比较分散,在20～50 m范围内。河床断面跨度120m,上下游无水利工程,断面比较稳定,主流摆动不大。本站来水来沙年际变化大,年内分配不均,具有暴涨暴落、洪峰高、冲淤变化剧烈以及含沙量大的特点,7、8月洪水灾害最为频繁,洪水主要来源于降水,以暴雨洪水为主,相对于中下游来说,渭河上游洪水发生次数明显少于中下游。

3.2 选用资料分析

(1)为进行雷达波流速仪在水文监测中的适用分析本文选用拓石水文站2020年雷达波流速仪和转子流速仪同步比测资料,筛选其中18份流量作试验分析,水位变幅在868.43～870.62 m之间,流量变幅在33.6～684 m3/s,基本控制各水位级流量变化范围。转子流速仪采用常规水文缆道0.6一点法测得各垂线流速,水深采用测深杆进行实测,最后求得断面平均流量,雷达波流速仪测得流速数据为表面流速(水深为0.0),水深测深杆实测,求得断面虚流量,该流量值大于转子流速仪测得的断面流量值,通过对两组数据进行分析,最终确定雷达波流速仪系数。两种仪器比测断面均与拓石站流量测验断面重合,无明显的流态变化和水位变动,所以计算断面误差相同。

(2)通过表1两种测速仪器同断面对比数据,利用算数平均法分析得出各个测次流速仪与雷达测得流量之比的平均值为0.978,各测次的流量比值分布如图2所示。

表1 雷达波流速仪流量与实测流量统计表

图2 流量比值分布图

再按照表1中的数据对雷达波流速仪虚流量与转子流速仪实测流量进行相关分析计算,以雷达流速仪测得流量为横坐标,流速仪测得流量为纵坐标建立关系图,通过图解法分析雷达波测流系数,得到相关系数R2=0.997 1,说明相关关系良好,相关系数为0.981 8。如图3所示。

图3 虚流量与实测流量关系图

通过计算后,可得换算关系公式:

Q雷=KQ虚

(1)

式中:Q雷为雷达波流速仪实测计算后通过断面的流量;Q虚为雷达波流速仪测得的断面虚流量;K为流量换算系数,经综合分析得图解法流速仪与雷达其换算系数K=0.982。

根据表1中比测实验的资料计算,其流速仪测得的流量值与雷达波流速仪比值即为雷达波流速仪的水面流速系数,并对表1中每一组雷达流速仪算的系数取其平均值为0.978,图解法雷达测流系数为0.982,说明两者关系数基本一致,二者平均值最终确定为0.98,此值为即为雷达波流速仪水面流速系数值。

(3)相对误差计算如下:

δ=(Q雷-Q)/Q×100%

(2)

式中:δ为测量相对误差,用百分数表示;Q为流速仪实际测得断面流量;Q雷为雷达波流速仪实测计算的流量。

从表2可以看出,此次比测中比测条件好的相对误差不超过±6.6%,比测条件差的相对误差不超过±1.0%,系统误差为0.36%,系数分析后相对误差较小,符合《水文资料整编规范》和《河流流量测验规范》要求,满足测验精度要求,可作为高洪时期拓石水文站雷达波流速仪测流在测验工作中使用。

4 影响因素与解决对策

4.1 影响因素

在进行雷达波流速仪测量工作的时候,影响其测验结果的因素主要包括:测量断面面积影响、仪器角度因素影响、雷达探头距水面的垂直距离影响、测速历时(停表计时)的影响、外界干扰因素等影响。

4.2 解决对策

针对上述产生的影响流量测验精度的因素,使用雷达波流速仪时根据水位计实测的水位数据计算断面面积,其次要做好雷达波流速仪日常的维护工作,可以定期检测仪器,首先保证操作的规范性,通过多次试验调整雷达探头的俯仰角和仪器探头距水面的垂直高度,确保其回波信号强度达到最佳,正常情况下建议探头垂直角为45°～60°,探头位置距水面越低越好;其次在河道流量较小时,可适当增加每条测速垂线的测速历时,测速历时设定在120 s,保证其测得垂线平均速度的准确性;如发现测得流速瞬时值突然变大,则可能遇到外界因素干扰(如飞鸟、飞虫、落叶等从探头前飞过),这时应重新启动测量消除误差提高测量精度;大雨、风力、风向等天气对雷达波流速仪的使用也有较大的影响,所以在测验时应该做好气象辅助项目的观测,以便分析测验数据是否合理。最后由于该测流系统初步投入使用,应该加强仪器稳定性和故障排除的分析研究,用好雷达波流速仪测流系统,使其发挥出应有的价值,为水文测验现代化积累技术经验。

5 结语

通过雷达波流速仪在拓石水文站的实际应用,可以得出以下结论:

(1)首先通过对拓石水文站雷达波流速仪流量测验断面的比测分析,可以得出雷达波流速仪测得的流量与转子式流速仪测得的流量具有很好的相关性,所以雷达波流速仪在该站测流断面的水面流速系数为0.98。

(2)雷达波流速仪本身具有安全、可靠、方便、不受水面漂浮物和泥沙影响的特点,可以在较为复杂的测验条件下进行水面流速的测量,因此对改善测站工作条件、进一步提高职工的工作效率有着明显的影响,是一种较为理想的测验仪器。

(3)雷达波流速仪工作性能十分稳定,测验精度经验证完全符合水文资料整编规范要求,在实际工作中已经得到广泛的应用,已经被水文行业认可。

(4)面对基层水文站测验设备老旧单一,测洪能力较为低下等情况,测站可以利用雷达波流速仪进行高洪时期水面流速的测定,在具有稳定的安全可靠性等特点的同时,还可以实现预期的任务目标与经济效益,所以雷达波流速仪具有很大的推广应用价值。