高 偉，竇英偉，姜松燕

（山東省水文儀器研制中心，山東 濰坊 261031）

電波流速儀作為一種常用于野外巡測(cè)和發(fā)生洪水、潰壩、決口、泥石流等特殊水情時(shí)的應(yīng)急測(cè)流設(shè)備，對(duì)水情復(fù)雜、水流急、含沙量大、水中有大量漂浮物，一般流速儀無(wú)法下水的情況下，具有特殊的優(yōu)越性，在水文測(cè)驗(yàn)工作中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

隨著進(jìn)口電波流速儀在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)電波流速儀技術(shù)不斷成熟。研究發(fā)現(xiàn)，兩者的區(qū)別主要在于產(chǎn)品的軟硬件和集成度。軟件方面，數(shù)據(jù)處理的計(jì)算方法不同；硬件方面，雷達(dá)探頭的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度等級(jí)不同；集成度方面，進(jìn)口電波流速儀經(jīng)過(guò)多年的推廣和實(shí)際應(yīng)用，已經(jīng)將雷達(dá)探頭、數(shù)據(jù)處理軟件以及顯示設(shè)備等部分集成為一體，俗稱“雷達(dá)槍”，小巧輕便。而國(guó)產(chǎn)電波流速儀的研究由于起步較晚，技術(shù)方面目前尚專注于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的提高，集成技術(shù)與國(guó)外差距比較大，通常為在線測(cè)流形式。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)在華東水文儀器檢測(cè)中心檢定水槽室溫條件下進(jìn)行，選擇兩款不同品牌的進(jìn)口電波流速儀和一款國(guó)產(chǎn)電波流速儀（以下分別簡(jiǎn)稱為進(jìn)口1、進(jìn)口2和國(guó)產(chǎn)3）進(jìn)行檢測(cè)。在橫斷面均勻一致的直線靜水槽中，檢定車以設(shè)定的若干穩(wěn)定速度載著電波流速儀在軌道上行駛，檢定車速度連續(xù)可調(diào)，按照由低速到高速的順序運(yùn)行。為避免電波流速儀之間互相影響，每臺(tái)儀器獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不考慮室外環(huán)境因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，從2015年7月6日開(kāi)始，至2015年7月17日結(jié)束。

2.1 檢測(cè)點(diǎn)取點(diǎn)原則

各速度級(jí)檢測(cè)點(diǎn)按照低速密、高速稀的原則取點(diǎn)，具體選定了18級(jí)速度，從0.20 m/s到3.50 m/s。

2.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)的選取、記錄與處理

為減小測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)誤差，每一臺(tái)電波流速儀在同一速度下收集10個(gè)速度值，取其算術(shù)平均值作為被檢儀器示值，同時(shí)記錄檢定車的平均速度，對(duì)這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算每臺(tái)被檢儀器的全線相對(duì)誤差，以此數(shù)值的大小表征其準(zhǔn)確度的高低，計(jì)算公式如下：

式中：m為全線相對(duì)誤差，%；vt為被檢儀器速度值的算術(shù)平均值，m/s；vs為檢定車的平均速度，m/s；N為所有參與計(jì)算的測(cè)點(diǎn)數(shù)目。

3 實(shí)驗(yàn)情況分析

3.1 測(cè)流方式對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

實(shí)驗(yàn)一：電波流速儀可選擇手持測(cè)流或固定安裝在三角架上進(jìn)行測(cè)流。由于國(guó)產(chǎn)3為在線測(cè)流系統(tǒng)，不方便進(jìn)行手持測(cè)流，故選擇進(jìn)口1和進(jìn)口2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：調(diào)整各儀器并保持其垂直角為45°，水平角為0°，探頭與水面垂直距離為200 cm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：首先各儀器分別進(jìn)行手持測(cè)流，每臺(tái)儀器獨(dú)立進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取全線相對(duì)誤差的平均值作為最終全線相對(duì)誤差。手持測(cè)流實(shí)驗(yàn)完成后，分別將各儀器固定安裝在三角架上，按照相同的程序進(jìn)行固定式測(cè)流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)一數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 垂直角對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

實(shí)驗(yàn)二：垂直角即雷達(dá)探頭與水平面形成的銳角，對(duì)進(jìn)口1、進(jìn)口2和國(guó)產(chǎn)3分別在垂直角為35°、45°和 55°的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：將各儀器固定安裝，保持其水平角為0°，探頭與水面垂直距離為200 cm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：首先保持各儀器垂直角為35°，每臺(tái)儀器獨(dú)立進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取全線相對(duì)誤差的平均值作為最終全線相對(duì)誤差結(jié)果。以相同方式分別求得各儀器在垂直角為45°和55°情況下的全線相對(duì)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

3.3 水平角對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

實(shí)驗(yàn)三：水平角即雷達(dá)探頭與檢定車運(yùn)行方向（野外測(cè)流時(shí)為水流方向）形成的銳角，對(duì)進(jìn)口1、進(jìn)口2和國(guó)產(chǎn)3分別在水平角為0°、15°和30°的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：將各儀器固定安裝，保持其垂直角為45°，探頭與水面垂直距離為200 cm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：首先保持各儀器水平角為0°，每臺(tái)儀器獨(dú)立進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取全線相對(duì)誤差的平均值作為最終全線相對(duì)誤差。在進(jìn)行水平角為15°和30°實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要分別調(diào)節(jié)各儀器上對(duì)應(yīng)的水平角度補(bǔ)償，然后以相同方式分別求得各儀器在水平角為15°和30°情況下的全線相對(duì)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

3.4 雷達(dá)探頭與水面垂距對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響

實(shí)驗(yàn)四：通過(guò)調(diào)節(jié)三角架或安裝支架的高度來(lái)探討雷達(dá)探頭與水面垂直距離對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。對(duì)進(jìn)口1、進(jìn)口2和國(guó)產(chǎn)3分別在雷達(dá)探頭與水面垂直距離為170 cm、200 cm、250 cm的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：將各儀器固定安裝，保持其垂直角為45°，水平角為0°。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：首先保持各儀器雷達(dá)探頭與水面垂直距離為170 cm，每臺(tái)儀器獨(dú)立進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取全線相對(duì)誤差的平均值作為最終全線相對(duì)誤差。以相同方式分別求得各儀器在雷達(dá)探頭與水面垂直距離為200 cm和250 cm情況下的全線相對(duì)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 實(shí)驗(yàn)二數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 實(shí)驗(yàn)三數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4 實(shí)驗(yàn)四數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

通過(guò)以上4個(gè)實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

1）從實(shí)驗(yàn)一可以看出，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，固定式測(cè)流效果優(yōu)于手持式測(cè)流效果。

2）從實(shí)驗(yàn)二可以看出，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，45°垂直角測(cè)流的全線相對(duì)誤差相對(duì)于35°垂直角、55°垂直角小。

3）從實(shí)驗(yàn)三可以看出，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，0°水平角測(cè)流的全線相對(duì)誤差最小。當(dāng)有一定的水平角時(shí)，若不考慮水平角度補(bǔ)償，余弦效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電波流速儀顯示的速度低于實(shí)際水面速度，隨著水平角度增加，顯示的速度將減小。雖然電波流速儀內(nèi)置水平角度補(bǔ)償，補(bǔ)償算法的介入可能會(huì)影響測(cè)流準(zhǔn)確度。

4）從實(shí)驗(yàn)四可以看出，雷達(dá)探頭與水面垂直距離在170~250 cm之間變化時(shí)，對(duì)測(cè)流準(zhǔn)確度的影響很小。通常野外測(cè)流時(shí)，雷達(dá)探頭與水面垂直距離往往從數(shù)米到十幾米甚至幾十米不等，基于實(shí)驗(yàn)室空間有限，無(wú)法滿足如此大幅度的高度變化，本實(shí)驗(yàn)有一定的局限性。

基于以上結(jié)論，建議水文工作者在使用電波流速儀時(shí)，測(cè)流方向應(yīng)盡量平行于水流方向，保持雷達(dá)探頭相對(duì)固定，垂直角保持在45°左右，并且盡量減少外部環(huán)境等因素的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要中提出要加強(qiáng)水利和防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)，國(guó)家加大了對(duì)水利水文行業(yè)的資金投入，一些老舊的水文儀器和設(shè)施得以更新，電波流速儀作為應(yīng)急測(cè)流設(shè)備也得到了大幅度地推廣應(yīng)用，越來(lái)越多的電波流速儀承擔(dān)了水量計(jì)量的重要工作，如何判別此類儀器的質(zhì)量及其計(jì)量性能的優(yōu)劣，是全面提升水量計(jì)量準(zhǔn)確度的重要途徑，也為合理開(kāi)發(fā)、保護(hù)、利用水資源提供技術(shù)支撐。為此建議：1）國(guó)內(nèi)電波流速儀生產(chǎn)單位要重視在技術(shù)上與國(guó)外的差距，抓住發(fā)展機(jī)遇，加大科研開(kāi)發(fā)力度，打造中國(guó)品牌；2）水行政主管部門(mén)應(yīng)盡快研究聲、光、電磁學(xué)等流速類儀器檢測(cè)方法，建立專門(mén)實(shí)驗(yàn)室，制定相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程，并以此為依據(jù)對(duì)該類儀器進(jìn)行技術(shù)監(jiān)督和計(jì)量管理，盡快結(jié)束長(zhǎng)期存在的監(jiān)管缺失的局面；3）水文工作者應(yīng)根據(jù)測(cè)流條件選擇電波流速儀，并與不同類型的測(cè)流儀器進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)比對(duì)，而且應(yīng)要求供應(yīng)商提供證明其產(chǎn)品性能的相關(guān)技術(shù)性材料；4）在使用電波流速儀測(cè)流時(shí)，要盡量減少使用方法、外部環(huán)境等因素對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度產(chǎn)生的影響。