林國鴻，劉惠雯，羅祚珍，曾秀華

（廣西沿海水文中心合浦水文中心站，廣西 北海 536000）

流量測驗的目的是要取得天然河流以及受水利工程影響河道的各種徑流資料，掌握全河水量的時空分布情況，為流域水利規(guī)劃、防汛抗旱、水利工程管理運用和國民經(jīng)濟建設提供可靠的依據(jù)。本文介紹的電波流速儀是利用雷達多普勒效應，用無接觸的方式測量水面流速的一種新型儀器，并通過對水面系數(shù)的換算達到測量河流流量的目的。

1 電波流速儀的工作原理、應用條件和技術指標

1.1 工作原理

SVR 電波流速儀（德卡托）是一種手持式表面測速雷達，專為測量水面速度而設計，特別適合溪流及河流速度測量。

電波流速儀發(fā)出一個微波能量束（無線電波），當這個波的能量撞擊水面時，波能量的一小部分返回到雷達設備天線，返回信號的頻率變化與目標速度成比例（多普勒效應，最小流速0.3 m/s），根據(jù)發(fā)射和返回信號頻率的不同，測定水面流速，如圖1。參照均勻浮標法，測定多條垂線的水面流速，按照流速面積法計算斷面虛流量，乘以斷面平均水面流速系數(shù)，得到斷面流量。

1.2 應用條件

測量時俯角（見圖2）不要大于45°，水平角不大于60°，由于內部傾斜傳感器很靈敏，測量過程應保持電波流速儀姿態(tài)穩(wěn)定、不震動，盡可能接近水面，精度會更高（因為電波流速儀接收返回信號的強弱，和探頭、水面距離以及波浪大小有直接關系）。

圖1 電波流速儀測速示意圖

圖2 俯角定義示意圖

1.3 主要技術指標

主要技術指標為：①測量范圍：0.2～18 m/s；②測量精度：0.1 m/s；③發(fā)射角：12°；④環(huán)境溫度：-30～+70℃；⑤電波頻率：34.7 GHz；⑥功率：50 mW。

2 電波流速儀在南康水文站的應用

2.1 測站概況

南康水文站設立于 1980年 1月，1993年 7月～2015年5月停測，2015年6月重建恢復測驗，位于廣西北海市鐵山港區(qū)南康鎮(zhèn)南康社區(qū)沙塘嶺，是南康江唯一的控制水文站，屬小河水文站。干流長度15.8 km，集水面積44.2 km2，干流平均比降2.06‰。斷面河槽形狀為復式，測驗河段為沙質河床。

南康江流域屬亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，日照充足，雨量充沛，每年的洪水主要發(fā)生在5～9月，特別是7～8月，受熱帶氣旋、靜止鋒、切變線、低渦、高空輻合等天氣影響，暴雨洪水頻繁、強度大。流域匯流面積小、流程短，洪水屬暴漲暴落型。

2.2 電波流速儀流量測驗方法

根據(jù)電波流速儀工作原理，電波流速儀特別適合有橋梁的暴漲暴落的中小河流的流量測驗。本文介紹的電波流速儀流量測驗方法為橋測法。

2.2.1 確定測流斷面

鑒于南康水文站沒有纜道，下游62 m處建有南康公路橋，橋面水平，經(jīng)綜合分析，流速儀測流斷面布設在南康公路橋下7 m（基下69 m）處，斷面左、右岸都已建成標準河堤，其斷面形狀如圖3。

圖3 南康水文站流速儀測流斷面圖

表1 南康水文站電波流速儀測速垂線布設情況表

2.2.2 確定電波流速儀測速垂線數(shù)

根據(jù)橋梁和河段河寬情況，電波流速儀斷面共設置 8 條垂線，分別為 4.0、7.0、14.0、19.0、25.0、29.0、34.0、38.0 m，電波流速儀測速垂線布設情況見表1。

2.2.3 流量測驗

（1）流速測量。到達測流橋上標識的固定位置，將電波流速儀安裝在三腳架上，量取儀器高，填寫電波流速儀安裝參數(shù)記載表，根據(jù)水平方位角、俯角調整儀器姿態(tài)，將電波流速儀探頭瞄準到測流斷面垂線上。當顯示的讀數(shù)穩(wěn)定，可認為是水流表面速度。根據(jù)南康江不同的水位級，一般施測4～6條垂線。

（2）流量計算與檢查。流量計算方法與流速儀類同，采用流速面積法計算斷面虛流量。測流完成后，應對流量測驗成果表進行檢查，根據(jù)流速曲線分布圖和斷面圖分析流速合理性。特別是對已測流速與實際流速不符要重測檢驗。對于中小河流，中泓流速應該最大；如果邊上流速比中泓大，這個數(shù)值需要重測驗證；河寬較寬的河流，流態(tài)會復雜一些。

3 電波流速儀法比測分析

3.1 比測試驗情況

南康水文站是專用站，洪水屬暴漲暴落型，無測流纜道設施，人力不足造成ADCP測流不便，這就需要用其他更便捷的測驗手段。南康水文站流量測驗按照《北海市水文水資源測報中心測報方案（試行）》要求，全年在流速儀測流斷面（基下69 m）處進行，采用走航式ADCP 和電波流速儀在同一斷面進行流量測驗。

南康站2017年6月起開展SVR流量～ADCP流量關系的比測率定工作，由于洪水場次偏少，2017年 7月 3日～2019年 8月 19日共收集了 10 份比測資料，實測流量變幅為10.3～61.7 m3/s，相應水位變幅8.17～10.22 m（中水8.0～9.5 m，高水≥9.5 m）。

3.2 比測結果

SVR 電波流速儀測量的是單位時間內經(jīng)過某一個斷面的水面流量，即SVR 流量，并非水道斷面流量，因此需建立斷面流量與指標流量的關系，以斷面虛流量QSVR和斷面流量Qadc（p走航式ADCP 實測）進行回歸分析。根據(jù)收集的比測資料，繪制關系線（見圖4），經(jīng)計算機線性函數(shù)回歸分析并定線，建立了虛流量與斷面流量關系，率定結果為：Y＝0.6 968×X-5.6 089，其中：Y為ADCP 實測流量，即斷面流量，m3/s；X為SVR電波流速儀虛流量，m3/s。

圖4 斷面流量Qadcp和虛流量QSVR相關關系圖

通過圖4可示，SVR電波流速儀流量與ADCP實測流量之間相關關系較好，相關系數(shù)達到了0.9 933。

3.3 比測數(shù)據(jù)分析

3.3.1 數(shù)據(jù)分析

電波流速儀主要用于中高水流量測驗，收集到10 次中高水測次比測流量資料，最大比測流量為61.70 m3/s。通過率定出來的回歸方程推算斷面流量，并計算相對誤差，相對誤差絕對值最小1.4%，最大11.9%，成果見表2。

表2 SVR電波流速儀推算流量成果表

3.3.2 誤差分析

南康水文站為專用水文站，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）和《水文巡測規(guī)范》（SL195-2015）水位流量關系定線精度指標要求，單一線法精度指標為系統(tǒng)誤差±3%，電波流速儀法隨機不確定度指標為18%。對ADCP 流量、SVR 流量以及SVR推算流量進行符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗，并計算系統(tǒng)誤差、隨機不確定度（見表3）。結果顯示，系統(tǒng)誤差為-0.1%，隨機不確定度為15%，三種檢驗合格，誤差滿足精度指標要求。

表3 SVR推算流量相關曲線精度分析表

4 結論

經(jīng)過率定分析，南康站比測率定結果滿足精度要求，其代表性較好，可用于實際測流工作中。建議下一階段工作應盡可能的收集較多的比測率定資料，擴充樣本容量，增強樣本代表性，并對率定曲線進行重新率定。

電波流速儀應用于南康水文站，是ADCP 等先進儀器設備的重要補充方案，在實際測量中取得了良好的效果，測驗質量滿足水文規(guī)范要求。電波流速儀的成功應用，為中小河流開展水文巡測提供了技術支撐，同時說明電波流速儀的推廣應用適應廣西水文發(fā)展的方向，是替代傳統(tǒng)水文的必要手段。