李德貴 宋海松 李蘭濤 劉建軍

摘要：目前，黃河水文站測驗洪水流量的主要方式是流速儀法和浮標法，需要布設多條垂線進行定點測量，歷時長，技術手段落后。采用微波流速儀搭載移動平臺連續(xù)測量水面流速的方式，以借用斷面計算流量，依托吳堡、龍門兩水文站的吊箱、鉛魚纜道自動控制平臺，開展了與傳統(tǒng)流速儀法流量測驗方式的對比試驗。結果表明：該種流量測驗方式可密集獲取測驗斷面的水面流速分布，縮短測驗歷時，提高洪水流量的自動測報水平，具有推廣應用價值。

關鍵詞：流速儀法：浮標法：比測試驗：動態(tài)積寬式測驗：流量測驗：微波流速儀

中圖分類號：P332；TV882.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.004

1 概述

流速是最基本的水文要素，流速測驗是水文監(jiān)測中最基礎、最重要的流量測量項目之一。目前，國內(nèi)大部分水文站在流量測驗時通常采用常規(guī)的流速儀法、浮標法，在河流斷面上布設若干垂線測出點流速，再通過流速面積法計算出流量。在大洪水期間，尤其是水流急、含沙量大、漂浮物多的復雜水情下，常規(guī)儀器難以下水，浮標測驗用人多、歷時長、精度低。微波流速儀是利用多普勒效應原理，以非接觸方式測量水面流速的一種新型測流儀器，國內(nèi)部分測站已應用該儀器進行了垂線定點測量的比測試驗，取得了較好的效果。

筆者利用微波流速儀，采用動態(tài)積寬的方式測量整個斷面的水面流速，選擇黃河干流吳堡、龍門兩個水文站，分別將微波流速儀安裝于吊箱和鉛魚上，勻速運行吊箱和鉛魚，在行走過程中保持儀器距水面的距離固定（誤差小于20 cm），連續(xù)測量水面流速并實時傳輸至室內(nèi)計算機，室內(nèi)計算機同時測量記錄起點距數(shù)據(jù)，由獲取的斷面流速分布，利用借用的大斷面計算出斷面流量。

2 試驗測站概況

吳堡、龍門兩個水文站均為國家重點報汛站，處于黃河泥沙的主要來源區(qū)，該區(qū)域也是黃河暴雨洪水的主要來源區(qū)。

吳堡站測驗河段順直長約600 m，河勢較穩(wěn)定，主流偏右岸。斷面左岸為斜坡，右岸為石砌護岸。河床左側部分為淤土，下部為巖石：主槽為巖石，上覆1.5～2.0 m厚的礫石和泥沙：右側部分為淤土礫石，下部為巖石。龍門站河段順直長約400 m，兩岸為巖石陡壁，近矩形斷面，為沙質河床，洪水時河床沖淤變化劇烈。

吳堡站主要的渡河測驗設備為兩臺吊箱，其水平運行由岸上電力驅動，變頻調速。其中：1號吊箱為全自動水文吊箱遙測平臺，垂直運行由吊箱自帶鋰電池驅動，設計有懸桿測深、流速儀自動測流系統(tǒng)；2號吊箱為普通電動升降吊箱，由人工施測水深、流速。龍門水文站主要渡河測驗設備為兩個重鉛魚電動纜道，其水平和垂直運行都由岸上電力驅動，變頻調速。

兩個水文站均采用流速面積法計算流量。流速測量儀器通常為轉子式流速儀，流速測量采用選點法，即將流速儀停留在測速垂線的預定測點上，測定各測點一定歷時的流速，計算垂線平均流速，進而計算斷面流量。大洪水時期用浮標法施測流量。

3 試驗儀器設備及軟件

試驗所用測速儀器為河南安宏信息科技有限公司研制的YMCP-I型非接觸式微波流速儀及通信設備和軟件。吳堡水文站完整的測量系統(tǒng)包括微波流速儀、水文吊箱纜道測驗設施與自動智能化控制平臺、數(shù)據(jù)傳輸設備等：龍門水文站完整的測量系統(tǒng)包括微波流速儀、水文重鉛魚纜道測驗設施與白動智能化控制平臺、風速風向儀和數(shù)據(jù)傳輸設備等。

3.1 微波流速儀

YMCP-1型非接觸式微波流速儀測量流速的原理：通過微波探頭向水面發(fā)射一束微波（頻率為37GHz），該微波到達水面后發(fā)生反射（漫反射）和折射，反射波被微波探頭接收，并經(jīng)圓極化混頻器之后產(chǎn)生與水流速度對應的多普勒頻率信息，結合傾角傳感器測量的微波發(fā)射俯角（微波方向與水平方向的夾角），依據(jù)多普勒原理即可計算出水流的速度。YMCP-I型微波流速儀主要技術指標：測速范圍，0.3～ 15.0 m/s：測量俯角，600～ 900：測量方位角（發(fā)射波和水流方向在水平面上的夾角），00～ 300；測量時段，以秒為單位，可連續(xù)測量或固定1、10、20、30、60 s等單位；測量精度，均方差≤3%；電源，12 V、8.8 Ah大容量可充電鋰電池；平均功耗，小于10 W。

3.2 配套設備

為了研究風速風向對水面流速測量的影響，配置了風速風向儀，在進行微波流速儀積寬式水面流速采集時，同時采集風速風向數(shù)據(jù)。風速風向儀的主要技術指標：測量范圍，風速0～ 70 m/s，風向00～ 3600：準確度，風速+0.3 m/s，風向+30。為了將采集的風速、風向數(shù)據(jù)實時傳回室內(nèi)，配置了短波無線數(shù)傳電臺。

微波流速儀和風速風向儀分別安裝于吊箱或鉛魚上進行數(shù)據(jù)采集，技術人員通過操作水文纜道測驗設施與白動智能化控制平臺來控制吊箱或鉛魚的白動運行。微波流速儀、風速風向儀與控制室之間通過無線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

技術人員可自主設定微波流速儀距水面的高度，其中龍門站鉛魚的垂度補償通過事先測算好的主纜垂度曲線得到，吳堡站吊箱的垂度補償采用實時測量吊箱距水面距離的方式得到。龍門站鉛魚的水平和垂直運行通過2臺變頻器分別控制電機實現(xiàn)，鉛魚在水平運行時，控制系統(tǒng)能根據(jù)鉛魚在不同起點距時纜道垂度的變化進行自動調整，并使鉛魚保持在設定高度水平運行。吳堡站吊箱的水平運行通過變頻器控制循環(huán)電機來實現(xiàn)，吊箱的垂度補償由吊箱上的PLC（可編程邏輯控制器）控制直流電機運行來實現(xiàn)。

3.3 配套軟件

根據(jù)比測試驗要求，開發(fā)了微波流速儀動態(tài)積寬式測流綜合軟件（測量界面見圖1）。流速測驗時，由軟件控制吊箱或鉛魚勻速行走，系統(tǒng)各設備實時采集流速、起點距、風速、風向等數(shù)據(jù)，通過數(shù)傳電臺傳回到計算機；起點距由纜道（吊箱或鉛魚）控制系統(tǒng)采集，利用有線方式傳輸?shù)接嬎銠C：水位由人T輸入到計算機，讀人借用大斷面數(shù)據(jù)。

在測流過程中，測流綜合軟件記錄每個測點采集或計算的起點距、水面流速、水深、風速、風向等數(shù)據(jù)，計算兩條垂線間的平均水面流速、平均水深、間隔、部分面積、部分流量等，測流結束時軟件自動計算、獲得整個斷面的虛流量（水面流速乘以斷面面積所得流量）及該測次的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所有的測驗數(shù)據(jù)均保存到計算機。

4 比測試驗

4.1 設備安裝

按照各儀器設備的安裝要求，在承載平臺（吊箱或鉛魚）上安裝微波流速儀、風速風向儀及數(shù)傳電臺等設備，在室內(nèi)安裝數(shù)據(jù)接收設備。在室內(nèi)測控計算機上安裝微波流速儀動態(tài)積寬式測流綜合軟件，設置有關系數(shù)、參數(shù)（如微波流速儀測驗時距水面的高度、設備限位值）等，各設備安裝完成后進行加電測試，正常后即可進行比測試驗。

4.2 比測試驗及要求

采用流速儀法測流的同時，布設相應的微波流速儀實施測流并觀測相應水位。主要要求為：

（1）本項比測試驗，微波流速儀采用動態(tài)積寬式測流，軟件為微波流速儀動態(tài)積寬式流量測驗綜合軟件：流速儀法為測站目前采用的正常測流方法，岸邊系數(shù)采用水文站現(xiàn)有系數(shù)值。

（2）微波流速儀可與流速儀法同時測流，也可單獨測流。微波流速儀單獨測流時應在開始、終了觀測水位，視水位變化情況適時加測，并與水文站的水位流量曲線所查流量進行對比。

（3）微波流速儀測驗流量計算是在系統(tǒng)控制下，安裝有微波流速儀的運載平臺（吊箱或鉛魚）勻速行走的過程中，以借用大斷面數(shù)據(jù)中起點距為標記，經(jīng)過一個垂線起點距為開始，到下一個垂線起點距為結束，在此期間采集的所有流速數(shù)據(jù)經(jīng)過中值濾波、均方差平均作為兩個垂線間的平均流速，再計算兩條垂線間的距離、平均水深，計算出兩條垂線間的過水面積，即可得出這兩條垂線間的部分流量?？刂葡到y(tǒng)邊行走、邊采集、邊計算、邊存儲，行走完斷面即可計算出整個斷面的虛流量。

（4）按照時間順序對比測流量測次編號，填寫微波流速儀流量測驗記載表。

（5）每完成一次全斷面數(shù)據(jù)采集后，軟件將自動記錄保存測量數(shù)據(jù)，輸出流量成果表、垂線流量成果表、流速測量成果表等。

4.3 比測數(shù)據(jù)

吳堡站比測試驗自2017年8月2日至9月18日，歷時48 d。收集微波流速儀試驗資料100次，其中85次為單獨測流，通過水位流量關系推求的流量和實測流量作為標準流量，與微波流速儀測得的流量建立對比系列。比測期間，微波流速儀測得的最大流量為1 640 m3/s，最小流量為162 m3/s，最大流速為3.35 m/s，比測資料滿足分析要求。

龍門站比測試驗白2017年7月11日至10月14日，歷時96 d，收集微波流速儀試驗資料102次，其中59次為單獨測流，通過水位流量關系推求的流量和實測流量作為標準流量，與微波流速儀測得的流量建立對比系列。比測期間測得的最大流量為1 260 m3/s，最小流量為497 m3/s，最大流速為6.91 m/s，比測資料滿足分析要求。

5 比測成果分析

5.1 比測數(shù)據(jù)處理

中值濾波法是基于排序統(tǒng)計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號平滑處理技術，其基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素值接近于實測值，從而消除孤立的噪聲點。中值濾波算法比較簡單，也易于用軟件實現(xiàn)。

本文微波流速儀所測流速就是運用中值濾波法過濾掉非正常信號，得到有效流速信號，有效流速數(shù)據(jù)經(jīng)過計算算術平均值后作為兩條垂線間的平均流速。

5.2 水面流速與垂線平均流速相關分析

選取吳堡水文站比測試驗中與實測流量同時進行對比的測次中的部分測速垂線，用這些垂線的平均流速與對應垂線的微波流速儀所測水面流速點繪相關關系。由于左右岸邊流速較小，微波流速儀對小流速不敏感，因此剔除掉左右岸垂線流速小于0.5 m/s的數(shù)據(jù)，得到的相關關系見圖2，可以看出虛流速與垂線平均流速的相關性比較好。

5.3 虛流量和實測流量相關分析

分別點繪吳堡、龍門兩水文站微波流速儀所測虛流量與流速儀法實測或水位流量關系線推求的流量相關關系（見圖3、圖4）并計算相關系數(shù)，可以看出斷面虛流量與實測流量的確定系數(shù)均在0.9以上。

5.4統(tǒng)計誤差與分析

相對誤差均值X、標準差S、隨機不確定度Xwb，分別采用下列公式計算：式中：n為樣本總數(shù)；X_i為微波流速儀測量流量第i次測量誤差值。

誤差評估按《河流流量測驗規(guī)范》（ GB 50179-2015）[1]中的規(guī)定：“對斷面比較穩(wěn)定和采用試驗浮標系數(shù)的測站，均勻浮標法單次流量測驗的允許誤差不應超過表C.1.4的規(guī)定?！本鶆蚋朔▎未瘟髁繙y驗的允許誤差見表1。

吳堡水文站微波流速儀所測流量的誤差統(tǒng)計見表2。

吳堡水文站微波流速儀在試驗比測期間共測流100次，有42個測次在同期同條件下可進行往測和回測平均，分別對吳堡水文站微波流速儀100次全樣本、往測和回測均值42次樣本進行統(tǒng)計及誤差分析。微波流速儀主要是針對測量大洪水的。筆者分析所測流量及流速發(fā)現(xiàn)：當吳堡站所測流量在400 m3/s以下時，所測水面流速有1/2～ 2/3在1 m/s以下：當所測流量在200 m3/s以下時，所測水面流速大都在1 m/s以下。因此，筆者又進行了往測和回測均值剔除流量小于390 m3/s的情況與實測值的相關分析，見圖4。從表2可以看出，吳堡水文站微波流速儀在各種分類情況下的系統(tǒng)誤差都較小，但是隨機不確定度都比較大，只有“往測和回測平均（剔除小流量點）”的情況下的隨機不確定度才滿足三類精度站的要求。

龍門水文站微波流速儀所測流量的誤差統(tǒng)計見表3。

龍門水文站微波流速儀在試驗比測期間共測流102次，但前期由于測流軟件存在問題，因此造成記錄計算結果不正確。軟件正常后往測和回測分別測試31、30次，有28次符合往測或回測平均要求。從表3可以看出，龍門水文站微波流速儀比測不論是往測還是回測，單次測量指標均不符合規(guī)范要求，經(jīng)往測和回測平均后才滿足規(guī)范對三類精度站的要求（樣本數(shù)為28時，按照《河流流量測驗規(guī)范》（ GB 50179-2015）規(guī)定，表3中的隨機不確定度計算時乘以系數(shù)2.052）。

6 結語

（1）經(jīng)吳堡、龍門兩水文站的比測試驗，并對比測資料進行統(tǒng)計分析，微波流速儀動態(tài)積寬式測流技術在多沙河流尤其漂浮物較多時應用效果顯著。

（2）與浮標法流量測驗技術比較，應用微波流速儀動態(tài)積寬式測流，測驗數(shù)據(jù)的計算、存儲、輸出等自動化水平都得到較大提高，并減少了人力。

（3）有效縮短了測流歷時。微波流速儀動態(tài)積寬式測流在吳堡水文站一次流量測量時間平均為17 min，往返約35 min；龍門水文站一次流量測量時間平均為15min往返約30 min，可有效縮短測流歷時50%以上，為快速、準確測量大洪水提供了一條新的技術途徑。

（4）通過比測試驗，認為微波流速儀主要應用于大洪水測驗。所測流速需大于微波流速儀測量下限，采用動態(tài)積寬式測流技術需用往測和回測的平均值作為一次測量結果。

（5）建議繼續(xù)組織開展并擴大試驗范圍。受時間限制，本次試驗未能測得比較大的洪水，以后應繼續(xù)組織開展試驗，收集洪水比測資料，以獲得更大的應用范圍。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.河流流量測驗規(guī)范：CB 50179-2015[S].北京：中國計劃出版社，2016：14- 101.