靈口水文站手持電波流速儀水面流速系數(shù)試驗(yàn)分析

樊軍文

（商洛水文水資源勘測(cè)中心,陜西 商洛 726000）

0 引言

電波流速儀法測(cè)流是《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）對(duì)流量測(cè)驗(yàn)超出常規(guī)手段的高洪流量測(cè)驗(yàn)時(shí)采用的方法之一,高洪流量測(cè)驗(yàn)按“安全、高效、快捷”的原則,首選電波流速儀進(jìn)行高洪測(cè)驗(yàn)?！端难矞y(cè)規(guī)范》（SL 195-2015）在規(guī)范性附錄E中對(duì)電波流速儀測(cè)流進(jìn)行了介紹,電波流速儀分為人工測(cè)速、自動(dòng)測(cè)速、自動(dòng)掃描式三種。人工測(cè)速的電波流速儀（手持式電波流速儀）需要人為操作,一次僅測(cè)量水面某一點(diǎn)流速。靈口水文站配備了一臺(tái)人工測(cè)速的手持電波流速儀。為了發(fā)揮電波流速儀的作用,確保高水發(fā)生時(shí)能安全、高效、快捷地測(cè)好洪水,需要對(duì)電波流速儀測(cè)量的水面流速計(jì)算的虛流量轉(zhuǎn)換成為實(shí)流量。如何將虛流量轉(zhuǎn)換成實(shí)流量,確定電波流速儀水面流速系數(shù)最為關(guān)鍵。本文借用《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL 195-2015）、河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《電波流速儀測(cè)流規(guī)程》（DB/T 2229-2022）、《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）對(duì)靈口水文站手持電波流速儀水面流速系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析,抓住中、高洪水發(fā)生時(shí)機(jī),應(yīng)用纜道轉(zhuǎn)子流速儀與手持電波流速儀同時(shí)測(cè)流,積累一定的試驗(yàn)次數(shù),率定出電波流速儀水面流速系數(shù)。

1 測(cè)速方法與系數(shù)試驗(yàn)方法

1.1 測(cè)速方法

電波流速儀（手持式電波流速儀）一般架設(shè)在橋梁或穩(wěn)定的水文吊箱上,正對(duì)水流測(cè)速,使其波束線(xiàn)與水面夾角不超出儀器測(cè)量的俯角允許值范圍。手持式電波流速儀一般只需手持對(duì)準(zhǔn)水面就可測(cè)速。測(cè)速中,需要保持儀器穩(wěn)定,傳感器軸線(xiàn)在水平方向上與流向的加角和俯角保持在規(guī)定范圍。

1.2 系數(shù)試驗(yàn)方法

《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL 195-2015）E7：用電波流速儀測(cè)量值計(jì)算垂線(xiàn)平均流速的水面一點(diǎn)法垂線(xiàn)平均流速系數(shù)宜使用轉(zhuǎn)子式流速儀法進(jìn)行比測(cè)率定。

借用河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《電波流速儀測(cè)流規(guī)程》（DB/T 2229-2022）對(duì)系數(shù)試驗(yàn)提出要求：電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)應(yīng)包含中、高水,試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)不少于20次,且通過(guò)符合檢驗(yàn)、適線(xiàn)檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)。

采用直接比測(cè)法進(jìn)行系數(shù)試驗(yàn)：根據(jù)測(cè)驗(yàn)斷面水面寬度及河底轉(zhuǎn)折變化情況,合理布設(shè)測(cè)速垂線(xiàn)；采用轉(zhuǎn)子式流速儀實(shí)測(cè)垂線(xiàn)流速,同時(shí)采用電波流速儀實(shí)測(cè)該垂線(xiàn)水面流速；計(jì)算代表垂線(xiàn)平均流速；垂線(xiàn)平均流速除以電波流速儀實(shí)測(cè)水面流速,計(jì)算出該垂線(xiàn)流速系數(shù)；根據(jù)每條垂線(xiàn)的流速系數(shù),采用流量加權(quán)法計(jì)算全斷面綜合流速系數(shù)。

1.3 測(cè)速斷面選擇

（1）水文站基本斷面為轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)速斷面。

（2）手持電波流速儀測(cè)流斷面選擇基本斷面下游150 m的跨河大橋附近斷面,借助大橋布設(shè)電波流速儀測(cè)流。根據(jù)儀器補(bǔ)償垂直角小于60°和有效測(cè)程的要求,保證精度前提下,選擇合適的測(cè)量位置；每個(gè)測(cè)驗(yàn)點(diǎn)測(cè)速歷時(shí)不少于60 s。

1.4 流速測(cè)驗(yàn)位置選擇

（1）轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)驗(yàn),測(cè)速垂線(xiàn)數(shù)量及位置布設(shè)、流量計(jì)算符合《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）和《測(cè)驗(yàn)任務(wù)書(shū)》規(guī)定。

（2）手持電波流速儀測(cè)驗(yàn),測(cè)速垂線(xiàn)數(shù)量及位置布設(shè)符合《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）的規(guī)定。

2 靈口水文站概況

靈口水文站建于1959年10月,位于南洛河上游,控制河長(zhǎng)124 km,控制流域面積2476 km2,河流平均比降7.04%。建站以來(lái)發(fā)生3場(chǎng)較大洪水分別為：2003年8月28日洪水,實(shí)測(cè)最大流量3050 m3/s；2020年8月6洪水,實(shí)測(cè)最大流量2680 m3/s；2021年7月23日洪水,實(shí)測(cè)最大流量3140 m3/s,為建站以來(lái)最大洪水。

靈口水文站測(cè)驗(yàn)河道順直,河床由卵石、粗砂組成。左岸為簡(jiǎn)易河堤,右岸為公路簡(jiǎn)易護(hù)基,河道主流一般集中在起點(diǎn)距20 m～80 m之間。

斷面下游150 m有跨洛河大橋一座,該大橋設(shè)計(jì)抗洪能力為100年一遇。之間無(wú)支流匯入,流量不變。

3 電波流速儀測(cè)驗(yàn)斷面確定

根據(jù)電波流速儀測(cè)流規(guī)范,該儀器向水面反射一定頻率的電磁波（雷達(dá)波）,通過(guò)檢驗(yàn)被水面反射回來(lái)的回波頻移的大小,由處理器解算水面流速的大小。儀器離水面距離應(yīng)符合儀器安裝要求,傳感器軸線(xiàn)在水平方向上與流向的夾角不宜超過(guò)30°,俯角宜在22°～45°之間。

靈口水文站配備的手持電波流速儀SVR,IC：1270-GVPD,編號(hào)：SVR2-01683,符合在橋上測(cè)速。故選擇本斷面下游150 m的大橋開(kāi)展試驗(yàn)。

4 電波流速儀技術(shù)參數(shù)

SVR手持式表面測(cè)速雷達(dá),測(cè)速原理：多普勒雷達(dá)；測(cè)速范圍：0.03 m/s～20 m/s；測(cè)速精度：±0.03 m/s；測(cè)速歷時(shí)：0～99.9 s；電波發(fā)射角：12°；電波發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)功率：10 mW；電波頻率：24GHz；適用環(huán)境：全天候,雨天可正常測(cè)流；工作溫度：-30～+70℃；角度補(bǔ)償：水平、垂直角度自動(dòng)；存儲(chǔ)大?。?00個(gè)測(cè)量結(jié)果。

5 電波流速儀系數(shù)分析

5.1 試驗(yàn)方法

在靈口水文站基本斷面采用纜道懸掛轉(zhuǎn)子流速儀施測(cè)流速的同時(shí),在下游150m處的洛河大橋上用手持電波流速儀施測(cè)水面流速,采取流速儀法施測(cè)流量與電波流速儀施測(cè)流量,分析確定系數(shù)。

5.2 試驗(yàn)次數(shù)

靈口水文站從2019年開(kāi)始進(jìn)行手持電波流速儀系數(shù)對(duì)比試驗(yàn),截止2021年共取得20次試驗(yàn)資料,其中：2019年～2020年對(duì)比試驗(yàn)9次；2021年對(duì)比試驗(yàn)11次。

5.3 系數(shù)分析

流速系數(shù)及誤差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,試驗(yàn)的20次成果跨度3年,包含中、高洪水,符合規(guī)范要求。分別計(jì)算斷面轉(zhuǎn)子流速儀實(shí)測(cè)流量和電波流速儀測(cè)速虛流量。以轉(zhuǎn)子流速儀計(jì)算的流量為分子,以電波流速儀計(jì)算的虛流量為分母,計(jì)算系數(shù)。取其20次系數(shù)的平均值,得到0.788。綜合分析取水面流速系數(shù)為0.8,計(jì)算電波流速儀實(shí)測(cè)流量,見(jiàn)表1。

表1 流速系數(shù)及誤差計(jì)算表

5.4 三項(xiàng)檢驗(yàn)

依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）關(guān)系曲線(xiàn)檢驗(yàn)有關(guān)規(guī)定,對(duì)采用水面流速系數(shù)為0.8計(jì)算的電波流速儀測(cè)流成果進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線(xiàn)檢驗(yàn)、偏離檢驗(yàn)。靈口站電波流速儀系數(shù)采用0.8計(jì)算流量成果三項(xiàng)檢驗(yàn)表見(jiàn)表2。

表2 靈口站電波流速儀系數(shù)采用0.8計(jì)算流量成果三項(xiàng)檢驗(yàn)表

5.5 成果分析

根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)的20次流量成果,經(jīng)分析取電波流速儀水面流速系數(shù)為0.8,經(jīng)符號(hào)檢驗(yàn)、適線(xiàn)檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)均合格。與靈口站已有的浮標(biāo)系數(shù)、流速儀水面系數(shù)對(duì)比：該站均勻浮標(biāo)水面系數(shù)0.85、中泓浮標(biāo)水面系數(shù)0.71,流速儀水面系數(shù)0.9。基本測(cè)流斷面寬105 m左右,電波流速儀測(cè)流斷面寬150 m左右,斷面寬相差45 m,電波流速儀測(cè)流斷面與靈口站基本斷面相距150 m,斷面面積和水面流速均發(fā)生變化,電波流速儀水面流速系數(shù)0.8小于轉(zhuǎn)子流速儀水面流速系數(shù)和均勻浮標(biāo)水面流速系數(shù),符合規(guī)律性。

6 結(jié)論與注意事項(xiàng)

6.1 結(jié)論

通過(guò)分析得出電波流速儀測(cè)流水面流速系數(shù)為0.80。靈口水文站應(yīng)用纜道流速儀無(wú)法完成實(shí)測(cè)流量時(shí),應(yīng)用手持電波流速儀橋上測(cè)流。當(dāng)洪水威脅大橋安全時(shí),為確保人身安全,職工不能上橋測(cè)流,改用浮標(biāo)法測(cè)流。

6.2 注意事項(xiàng)

1）汛前及洪水過(guò)后及時(shí)施測(cè)電波流速儀測(cè)流斷面,設(shè)立水尺,標(biāo)注起點(diǎn)距,為采用電波流速儀測(cè)流應(yīng)用斷面作好準(zhǔn)備。

2）職工應(yīng)充分了解儀器性能,熟練掌握操作規(guī)程,努力減少人為誤差。

3）測(cè)流時(shí)保持手持電波流速儀穩(wěn)定,減少抖動(dòng)。

4）儀器偏角、俯角至少測(cè)量三次,取平均值。

5）儀器傳感器軸線(xiàn)在水平方向上與水流流向的夾角不宜超過(guò)30°,俯角保持在45°。

6）大風(fēng)對(duì)水面流速有影響,不宜采用電波流速儀測(cè)速。

7）測(cè)量水面流速過(guò)程中,準(zhǔn)確判斷主流并加測(cè)水面流速,確保最大流速不漏測(cè)。