雷達波流速儀在拓石水文站水文測驗中的比測及應用分析

雷 鳴,姜滿川

(寶雞水文水資源勘測中心,陜西 寶雞 721000)

0 引言

雷達波流速儀是一種用于測量水流表面流速的儀器,被廣泛應用于野外巡測、防洪防澇、污水監測等諸多領域。該儀器本身其具備測速快、自動化程度高等特點,尤其適用于汛期和突發狀況下的水文監測,由于測速方式為非接觸式,不受水面漂浮物、泥沙、水流狀態等因素的影響,而且流速愈大,漂浮物愈多,流速愈快,雷達反射波將愈強,反而有利于雷達波流速儀工作,其完全可以用來代替浮標法測流,實現水文流量的快速實時監測。

1 雷達波流速儀技術原理

雷達波流速儀測流系統主要是由系統控制部分、測速控制部分、供電控制部分和軟件控制部分四部分組成。而走航式雷達波流速儀的系統控制部分可以依托現有的水文纜道,利用水文纜道實現不同垂線間的流速測量;供電控制部分主要由蓄電池和太陽能電池板組成,也可選配外接電源進行充電;軟件控制部分主要由測站的計算機及其流速接收數據處理軟件組成;測速控制部分主要由測速雷達組成。

雷達波流速儀是通過發射Ka波段微波,采用多普勒效應,即通過被測物體同儀器間相對運動過程當中產生的多普勒頻移進行測量,當物體按照一定速率向著某一方向移動時,受到傳播路程差方面的影響,則會在頻率及相位方面發生一定的變化,雷達波流速儀就是利用多普勒頻移原理進行水流表面流速測定。安裝測速部分的行車架接收到前進命令后,會到達指定的測速垂線,首先雷達波流速儀向水流方向發射無線電波,電波在水流區域形成一個橢圓型波束,這個波束的大小取決于天線到水面的距離,當被側區域距離雷達天線愈遠時,這個區域就變的愈大。當電波的能量撞擊到水面時,電波能量的一小部分會返回到雷達設置天線,當水中漂浮物越多,其反射回來的電波就會越大,然后雷達設備根據發射和返回信號頻率的不同,測定水流速度,測出該點流速以后,裝置會將流速信號通過無線通信方式發給RTU控制器,RTU控制器再將實時流速發給軟件控制系統,在軟件操作界面接收到流速數據后通過流速面積法計算流量,水道斷面面積可使用實測資料或借用大斷面施測資料,最后得出斷面的平均流量,在整個測速過程中雷達波流速儀具有較強的信號,不容易受到來自外界因素的干擾,因此具有較為準確的測量特性(圖1)。

圖1 雷達流速儀原理示意圖

2 雷達波流速儀在水文測驗中的應用

2.1 比測儀器

雷達波流速儀、轉子式流速儀。雷達波流速儀參數:測速范圍0.20～18.00 m/s,最大有效測程60 m,發射角度45°,微波功率50毫瓦,ka波段頻率34.7 GHz,搭載平臺為水文纜道。

2.2 儀器特性

雷達波流速儀采用非接觸式測流,相比轉子流速儀不受含沙量、水面漂浮物的影響,具有測速歷時快,攜帶便捷等特點。同時,雷達可以設置不同發射頻率,在多點近距離探測時,可有效地避免相鄰產品的雷達波束互擾影響。另外,監測單位可根據探測獲得的速度值(多點測量),加之河道斷面幾何形狀信息等,對天然河流、城市河流、渠、管道剖面水流量進行測定。

3 測驗資料分析

3.1 試驗場地概況

拓石水文站設立于2003年6月1日,位于寶雞市陳倉區拓石鎮,地處東經106°32′、北緯34°30′,集水面積29 092 km2,距河口470 km。本站為渭河入陜第一站,屬省級重要站,測驗河段順直,左岸為人工砌石護岸,右岸為自然坡岸,本站測驗斷面共設有3個,分別為上、下比降水尺斷面、基本水尺斷面,基本水尺斷面同時作為浮標中斷面和流速儀測流斷面,上下斷面間距離為150 m?；舅邤嗝婕茉O有水文纜道一座,基上70 m處有一水泥大橋,受橋墩疏水影響,主流比較分散,在20～50 m范圍內。河床斷面跨度120m,上下游無水利工程,斷面比較穩定,主流擺動不大。本站來水來沙年際變化大,年內分配不均,具有暴漲暴落、洪峰高、沖淤變化劇烈以及含沙量大的特點,7、8月洪水災害最為頻繁,洪水主要來源于降水,以暴雨洪水為主,相對于中下游來說,渭河上游洪水發生次數明顯少于中下游。

3.2 選用資料分析

(1)為進行雷達波流速儀在水文監測中的適用分析本文選用拓石水文站2020年雷達波流速儀和轉子流速儀同步比測資料,篩選其中18份流量作試驗分析,水位變幅在868.43～870.62 m之間,流量變幅在33.6～684 m3/s,基本控制各水位級流量變化范圍。轉子流速儀采用常規水文纜道0.6一點法測得各垂線流速,水深采用測深桿進行實測,最后求得斷面平均流量,雷達波流速儀測得流速數據為表面流速(水深為0.0),水深測深桿實測,求得斷面虛流量,該流量值大于轉子流速儀測得的斷面流量值,通過對兩組數據進行分析,最終確定雷達波流速儀系數。兩種儀器比測斷面均與拓石站流量測驗斷面重合,無明顯的流態變化和水位變動,所以計算斷面誤差相同。

(2)通過表1兩種測速儀器同斷面對比數據,利用算數平均法分析得出各個測次流速儀與雷達測得流量之比的平均值為0.978,各測次的流量比值分布如圖2所示。

表1 雷達波流速儀流量與實測流量統計表

圖2 流量比值分布圖

再按照表1中的數據對雷達波流速儀虛流量與轉子流速儀實測流量進行相關分析計算,以雷達流速儀測得流量為橫坐標,流速儀測得流量為縱坐標建立關系圖,通過圖解法分析雷達波測流系數,得到相關系數R2=0.997 1,說明相關關系良好,相關系數為0.981 8。如圖3所示。

圖3 虛流量與實測流量關系圖

通過計算后,可得換算關系公式:

Q雷=KQ虛

(1)

式中:Q雷為雷達波流速儀實測計算后通過斷面的流量;Q虛為雷達波流速儀測得的斷面虛流量;K為流量換算系數,經綜合分析得圖解法流速儀與雷達其換算系數K=0.982。

根據表1中比測實驗的資料計算,其流速儀測得的流量值與雷達波流速儀比值即為雷達波流速儀的水面流速系數,并對表1中每一組雷達流速儀算的系數取其平均值為0.978,圖解法雷達測流系數為0.982,說明兩者關系數基本一致,二者平均值最終確定為0.98,此值為即為雷達波流速儀水面流速系數值。

(3)相對誤差計算如下:

δ=(Q雷-Q)/Q×100%

(2)

式中:δ為測量相對誤差,用百分數表示;Q為流速儀實際測得斷面流量;Q雷為雷達波流速儀實測計算的流量。

從表2可以看出,此次比測中比測條件好的相對誤差不超過±6.6%,比測條件差的相對誤差不超過±1.0%,系統誤差為0.36%,系數分析后相對誤差較小,符合《水文資料整編規范》和《河流流量測驗規范》要求,滿足測驗精度要求,可作為高洪時期拓石水文站雷達波流速儀測流在測驗工作中使用。

4 影響因素與解決對策

4.1 影響因素

在進行雷達波流速儀測量工作的時候,影響其測驗結果的因素主要包括:測量斷面面積影響、儀器角度因素影響、雷達探頭距水面的垂直距離影響、測速歷時(停表計時)的影響、外界干擾因素等影響。

4.2 解決對策

針對上述產生的影響流量測驗精度的因素,使用雷達波流速儀時根據水位計實測的水位數據計算斷面面積,其次要做好雷達波流速儀日常的維護工作,可以定期檢測儀器,首先保證操作的規范性,通過多次試驗調整雷達探頭的俯仰角和儀器探頭距水面的垂直高度,確保其回波信號強度達到最佳,正常情況下建議探頭垂直角為45°～60°,探頭位置距水面越低越好;其次在河道流量較小時,可適當增加每條測速垂線的測速歷時,測速歷時設定在120 s,保證其測得垂線平均速度的準確性;如發現測得流速瞬時值突然變大,則可能遇到外界因素干擾(如飛鳥、飛蟲、落葉等從探頭前飛過),這時應重新啟動測量消除誤差提高測量精度;大雨、風力、風向等天氣對雷達波流速儀的使用也有較大的影響,所以在測驗時應該做好氣象輔助項目的觀測,以便分析測驗數據是否合理。最后由于該測流系統初步投入使用,應該加強儀器穩定性和故障排除的分析研究,用好雷達波流速儀測流系統,使其發揮出應有的價值,為水文測驗現代化積累技術經驗。

5 結語

通過雷達波流速儀在拓石水文站的實際應用,可以得出以下結論:

(1)首先通過對拓石水文站雷達波流速儀流量測驗斷面的比測分析,可以得出雷達波流速儀測得的流量與轉子式流速儀測得的流量具有很好的相關性,所以雷達波流速儀在該站測流斷面的水面流速系數為0.98。

(2)雷達波流速儀本身具有安全、可靠、方便、不受水面漂浮物和泥沙影響的特點,可以在較為復雜的測驗條件下進行水面流速的測量,因此對改善測站工作條件、進一步提高職工的工作效率有著明顯的影響,是一種較為理想的測驗儀器。

(3)雷達波流速儀工作性能十分穩定,測驗精度經驗證完全符合水文資料整編規范要求,在實際工作中已經得到廣泛的應用,已經被水文行業認可。

(4)面對基層水文站測驗設備老舊單一,測洪能力較為低下等情況,測站可以利用雷達波流速儀進行高洪時期水面流速的測定,在具有穩定的安全可靠性等特點的同時,還可以實現預期的任務目標與經濟效益,所以雷達波流速儀具有很大的推廣應用價值。