雷達(dá)測速儀在四川省青衣江流域水文監(jiān)測中的應(yīng)用

王華宇，唐海彥

(四川省雅安市水文水資源勘測局，四川 雅安，625000)

雷達(dá)測速儀在四川省青衣江流域水文監(jiān)測中的應(yīng)用

王華宇，唐海彥

(四川省雅安市水文水資源勘測局，四川 雅安，625000)

大部分河流高水流量監(jiān)測中使用的常規(guī)浮標(biāo)流速測量法，由于浮標(biāo)測流影響因素多，特別是暴雨洪水過程中施測難度大；流速儀測流法受設(shè)施安全影響，已不適應(yīng)我國中高水流量監(jiān)測的需要；而較為先進(jìn)的聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)受流速與水體中雜質(zhì)影響，導(dǎo)致其在高流速或波浪大時無法入水。目前，雷達(dá)測速儀在水文監(jiān)測中的應(yīng)用極大地提升了流量測量的效率和精度。本文分析了雷達(dá)測速儀在四川省青衣江流域流量監(jiān)測的可行性，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示：雷達(dá)測速儀測量的流量數(shù)據(jù)與流速儀同步測量的數(shù)據(jù)相符，適用于與青衣江類似的流域。

雷達(dá)測速 測速儀 水文監(jiān)測 青衣江流域

1 水文測驗(yàn)方法概況

水文測驗(yàn)是收集流域中各種水文要素變化所開展的工作。其測驗(yàn)對象主要包括雨量、蒸發(fā)、水位、流量、泥沙、水化學(xué)等，其中流量測驗(yàn)的方法可分為四大類，即面積流速法、水力學(xué)法、化學(xué)法、物理法。現(xiàn)階段的流量測驗(yàn)多采用物理法，其中，常使用流速儀法和浮標(biāo)法，流速儀法多用于中低水位測速，而浮標(biāo)法多用于中高水位[1]。

流速儀是目前精度較高的方法。在流速儀測量流速時一方面流速超過儀器性能時(高速或低速時)誤差會增大，如施測洪峰流量，流量變化較快、測量流速時間過長、測量水位變化較大時均會引入更大的誤差；另一方面，在西部山區(qū)河流一般比降較大，河流流速相對較大，最大洪峰流速可達(dá)8m/s～12m/s，且洪水過程呈尖瘦形、洪峰持續(xù)時間較短(持續(xù)時間最長為30min左右)，使用流速儀測量流速不易監(jiān)測到洪峰流量，而且在洪峰時水深流急，漂浮物較多，泥沙含量大，容易導(dǎo)致流速儀被撞擊或進(jìn)沙，影響流速儀靈敏度而無法達(dá)到精度要求[2]。

因此，考慮到人員、設(shè)備安全和測量效果，在測量4m/s～5m/s以上高流速時一般多采用水面浮標(biāo)法測速。該測量方式簡便實(shí)用且安全，但浮標(biāo)測量法所需人員較多，且影響流量測量精度因素多。如測量時風(fēng)向、風(fēng)速影響浮標(biāo)運(yùn)行軌跡，順風(fēng)逆風(fēng)影響浮漂運(yùn)行速度，從而影響斷面平均流速的測量；浮標(biāo)形狀材質(zhì)也會影響入水深度從而影響所測流速；浮標(biāo)投放多少及浮標(biāo)在斷面分布情況影響虛流速曲線，從而影響流速；浮標(biāo)運(yùn)行至中斷面時輻射人所出現(xiàn)的視距誤差影響浮標(biāo)起距，從而影響流速；浮標(biāo)運(yùn)行至上、中、下三個斷面時測量人員觀測浮標(biāo)所在位置時報(bào)時所出現(xiàn)的誤差影響流速；測量工作完成后進(jìn)行分析計(jì)算時，虛流速曲線繪制的合理性會影響斷面平均流速。因此，水面浮標(biāo)法測量流速是在沒有其他測量方法的前提下使用的方法。

除浮標(biāo)法與測速儀法測量流速外，聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP——AcousticDopplerCurrentProfilers)的使用也是目前較為先進(jìn)的測速方式，其在歐美發(fā)達(dá)國家應(yīng)用比較廣泛，而我國還處于起步階段。其利用多普勒原理將聲脈沖波發(fā)射于水體，通過水體泥沙等反散色體反散射，接受信號后測算出流速。但該方法受流速與水體中雜質(zhì)影響，導(dǎo)致ADCP在高流速或波浪大時無法入水[3]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，使用雷達(dá)測速儀對移動物體的運(yùn)動速度測量技術(shù)日趨成熟，其主要應(yīng)用于定點(diǎn)測量和移動測量，已普遍應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域[4]，但還較少應(yīng)用于水文測驗(yàn)領(lǐng)域。

2 雷達(dá)波測速儀簡介

雷達(dá)測速儀是通過微波來測量運(yùn)行物體的運(yùn)行速度，其工作原理是基于多普勒原理，雷達(dá)波以扇形發(fā)射向目標(biāo)，當(dāng)微波照射在物體上時會產(chǎn)生一個與運(yùn)動物體速度成比率的變化，其變化大小反應(yīng)了物體運(yùn)動速度。雷達(dá)測速儀主要由微波單位、放大單元、中央控制與信號處理單元、數(shù)據(jù)輸出及顯示單元、電源處理等部件組成。

目前雷達(dá)波測速方式有兩種，一種為同向測速，其測量目標(biāo)與雷達(dá)波束發(fā)射方向一致；另一種為反向測速，其測量目標(biāo)與雷達(dá)波束發(fā)射方向相反。常見的雷達(dá)測速儀設(shè)備包括手持雷達(dá)波流速儀、纜道雷達(dá)波測流設(shè)備、在線遙控多探頭雷達(dá)波數(shù)字化測流系統(tǒng)、無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測流系統(tǒng)等。其中無線遙控雷達(dá)波數(shù)字化測流系統(tǒng)可用于較大流量的監(jiān)測，也可用于高流速、高浪和漂浮物較多水域的測量；在線遙控多探頭雷達(dá)波數(shù)字化測流系統(tǒng)可通過無線傳輸將實(shí)時測量數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中樞，但該方法對檢測環(huán)境要求較高；纜道雷達(dá)波測流設(shè)備主要適用于高流速、污水和大量漂浮物條件下的檢測，對0.5m/s的流速測量并不精確；手持式雷達(dá)波流速儀主要適用于橋測以及斷面窄的河道測量。

雷達(dá)測速的準(zhǔn)確性也取決于環(huán)境因素，如天氣情況的變化導(dǎo)致空氣中漂浮物和水滴的增多，均可影響雷達(dá)波信號，造成雷達(dá)獲取到空氣中雜質(zhì)的信號，從而影響流速的測量；環(huán)境中的電子噪音如無線電信號、燈光、電源也可造成雷達(dá)測速誤差或錯誤；而風(fēng)力導(dǎo)致的雷達(dá)測速儀擺動以及風(fēng)哨效應(yīng)也是造成誤差的重要原因[5，6]。

3 雷達(dá)波測速技術(shù)在青衣江流域的應(yīng)用

青衣江主源為四川省雅安市寶興河，主要發(fā)源于夾金山和邛崍山脈巴郎山之間的蜀西營，流域涉及雅安、眉山、樂山。為了驗(yàn)證雷達(dá)波測定流速技術(shù)在青衣江流域中高水流量測量的可行性，本研究同時使用雷達(dá)測速儀與常規(guī)流速儀對青衣江流域多營坪、滎經(jīng)、蘆山等水文站2012年6月至2013年10月的流量進(jìn)行對比實(shí)測。雷達(dá)測速儀利用美國ACI公司StalkerS3-SVR型纜道雷達(dá)波流速儀，用其對青衣江流域多營坪等水文站流量(Q雷)實(shí)測28次，同時同水位下以常規(guī)流速儀所測流量(Q流)作為標(biāo)準(zhǔn)值。測量結(jié)果顯示，在2013年6月至2013年10月各級水位流速測量中，兩種測量方法實(shí)測的流量數(shù)據(jù)Q雷與Q常高度一致(見表1)，且測量數(shù)據(jù)符合Q流=0.977×Q雷+9.471的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)較高(見圖1)；Q雷、Q流與水位的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2、圖3，從流量與水位標(biāo)準(zhǔn)曲線圖中可以看出，兩種測流方法的測定結(jié)果也高度一致?？梢?，在青衣江流域中高水流量河流水文測量中應(yīng)用雷達(dá)測速技術(shù)是完全可行的，且其測量結(jié)果與常規(guī)測速儀同步測定的結(jié)果相符，有效提升了水文監(jiān)測效率和測量精度。

表1 雷達(dá)測速儀實(shí)測流量Q雷與常規(guī)測速儀同步流量Q流對照

圖1 雷達(dá)測速儀和常規(guī)測速儀實(shí)測流量相關(guān)曲線

圖2 雷達(dá)測速儀實(shí)測流量與水位標(biāo)準(zhǔn)曲線

附圖3 常規(guī)測速儀實(shí)測流量與水位標(biāo)準(zhǔn)曲線

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的浮標(biāo)測速法和測速儀測速法由于技術(shù)限制，其精確性、操作安全性已不適應(yīng)現(xiàn)代水文工作的需要。青衣江流域水流湍急、河床曲折、水位漲落變化大(陡漲陡落)、峰現(xiàn)時間短、漂浮物多泥沙較大，且年內(nèi)流量變化大，較為先進(jìn)的ADCP技術(shù)并不適用于該流域。雷達(dá)波測速技術(shù)的發(fā)展為快速、準(zhǔn)確地測量流量提供了可能性，在青衣江流域的應(yīng)用表明，其測量結(jié)果與常規(guī)流速儀法測量結(jié)果高度一致。由于雷達(dá)測速儀精度高，使用便捷，且避免了水中漂浮物干擾，同時，該方法無需將設(shè)備置于水中，避免了測流時設(shè)施設(shè)備的安全隱患。因此，雷達(dá)測速儀適用于青衣江及與其類似的流域水文測驗(yàn)，當(dāng)然，在應(yīng)用該方法測量流速時應(yīng)盡量避免天氣、人為因素對儀器精確性的影響。雷達(dá)測速技術(shù)與傳統(tǒng)流量監(jiān)測系統(tǒng)的配合使用，將極大提升水文監(jiān)測的準(zhǔn)確性和及時性。

〔1〕劉 偉，王吉星，王少華，等.水文浮標(biāo)站應(yīng)急監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].水利信息化，2013(2)：29-32.

〔2〕姚章民.聲學(xué)多普勒水流剖面儀在河流流量測量中的應(yīng)用[J].人民珠江，2002，23(6)：23-24.

〔3〕董愛紅，姜小留，劉善鋒.探討ADCP在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào)，2007(2)：46.

〔4〕秦福清.雷達(dá)波流速儀在中小河流流量測驗(yàn)中的應(yīng)用分析[J].水利信息化，2012(4)：42-48.

〔5〕龐 雷.雷達(dá)波流速儀在我省中小河流流量測驗(yàn)中的應(yīng)用[J].水文，2013(1)：35-38.

〔6〕董如洲，魏泉苗，徐小弟，等.杭州灣地波雷達(dá)觀測的海流數(shù)據(jù)取樣率分析[J].海洋學(xué)研究，2008，4(26)：55-60.

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2095-1809(2017)01-0053-03