电波流速仪比测试验及分析
大兴安岭水文局监测科
2015年3月
1 试验地概况及仪器指标
1.1 试验地概况
1.1.1流域概况
加格达奇水文站位于甘河中游，是重要的大河控制站、中央报汛站及国家重要水文站。地理坐标为东经124°07＇、北纬50°24＇。集水面积9575km2，控制河流长196km。该站始建于1970年8月，水位、流量自建站至今资料连续，本站历年水位流量关系为单一线，关系较为稳定。
1.1.2流域概况
甘河是嫩江中游江段的上段右岸的大支流，发源于大兴安岭东坡伊勒呼里阿仑山脉的南支英吉奇山，由西北向东南顺大兴安岭东坡下流，经内蒙古鄂伦春自治旗、大兴安岭的加格达奇和黑龙江省的嫩江县，在嫩江县城下游约5km处汇入干流。甘河横穿大兴安岭加格达奇区，区内面积为1460km2，河长55 km。甘河全长446km，流域面积19549km2，河流平均坡降1.98‰，流域内山地面积占78.0%，植被良好，上游段河道曲折，水流湍急，浅滩和哨口多；中游段河谷逐渐展宽，河道多呈“S”形的连续弯道；下游段地形较平缓，河谷底宽4～5km，两岸沼泽逐渐发育增多。主要支流有上游左岸的阿里河，下游右岸汇入的奎勒河，其中奎勒河河流长188km，集水面积4725km2。
1.1.3断面概况
测验河段顺直长度约1000m，测流断面位于公路大桥上游50m处，为一滩一槽复式河床。测验河段左岸为50年一遇防洪堤，右岸为自然滩地，平槽最大水面宽200m。水位达99.70m时，右岸滩地开始过水，最大水面宽950m。河床由砂石组成，比较稳定。
1.1.4洪水特性
甘河流域的洪水包括春汛和夏汛两种洪水，春汛洪水与初春河流开江时的凌汛洪水时间基本上相同，约发生在每年的5月份，夏秋大汛洪水则出现在6～8月份，有时延期到9月份。春汛洪水主要由融雪径流或融雪径流加上初春江河降
雨形成径流而形成。
夏秋汛6～9月的洪水是甘河流域的主要洪水，年最大洪峰集中出现在汛期7～9月。洪水由暴雨或较长时间的连续降雨形成，洪水范围广，洪峰高、洪量大，洪水泛滥成灾，或由于降水过多，低洼地积水无法排出而形成内涝灾害。洪水主要是由上游及其支流克一河、阿里河来水形成。洪水过程大多为单式洪峰，洪峰停留时间一般在4～6h左右，涨水历时短，落洪历时长，峰型适中。
1.2 SVR电波流速仪主要特点及技术指标
1.2.1主要特点
SVR电波流速仪是美国ACI公司专门设计用于水面流速测量的电子产品，体积小，自重轻，操作简便。优化改造后，流速仪各方面性能大大提高：
1、加大微波发射功率，标准发射功率从10mw增加到50mw。经实测，距水面最大有效测程达到100米。
2、专门开发的智能水面回波频谱分析算法，有效排除与水面流速无关的干扰信号，适应各种复杂波浪环境，测量水面流速稳定可靠。
3、专用高速DSP芯片处理水面回波，流速测量精度达到厘米级。
4、可以在强降雨环境中使用。
5、大屏幕LCD显示器，同时显示瞬时流速、平均流速、测量历时和回波强度，测流过程一目了然。
6、计时分辨率为0.1秒，符合水文测验规范。
7、数据寄存器暂存10个流速数据。
1.2.2技术指标
1、测速范围：0.20～18.00 米/秒。
2、测速精度：±3厘米/秒。
3、测速计时：精度1秒分辨率0.1秒。
4、测速历时：1～99.9 秒。
5、波束宽度：12°。
6、微波功率：50 毫瓦。
7、微波频率：Ka波段34.7GHz。
8、最大测程：100 米。
9、操作按键：六个快捷键。
10、显示内容：同时显示瞬时流速、平均流速、测速历时、回波强度、流速方向和发射状态。
11、角度补偿：内置俯仰角传感器自动补偿，水平角手动输入。
12、防水性能：全防水设计，可浸入水下1米。
13、工作环境：可在雨中正常测流。
14、工作电源：可拆卸式锂电池手柄，正常工作10小时。
15、工作温度：-30～+70℃。
2 比测
2.1 比测目的
SVR电波流速仪是一种理想且先进的水面流速测量仪器，可在高水时期提供得到较为便捷且数据精度相对准确的流速数据。然而，在大兴安岭地区水文测验工作中，SVR电波流速仪的使用始终并未开展，从未有应用经验及使用记录等，基于此次电波流速仪的试验，我们希望得到一系列关于电波流速仪测流的可行方法、适用范围、以及率定电波流速仪测流与普通流速仪测流之间的比值系数，为在汛期应急情况下使用电波流速仪测流提供准确可靠的数据及参考依据。
2.2 临时断面
电波流速仪测流临时断面距上游加格达奇水文站缆道断面约50m，测流过程在加格达奇区河南大桥上进行，如附图1。
2.3 比测方法
雷达头对准待测水面，扣动扳机屏幕右上角计时秒表开始走动，显示测速历时。通常需要等待5秒左右屏幕显示流速数据。回波正常情况下，瞬时流速窗
口反映流速脉动情况，有时会有很大跳动，平均流速缓慢变化，直至稳定。计时秒表达到99.9秒后仪器自动停止测量，屏幕上显示该时段内的平均流速、流速单位和流速方向。测量过程中如观察到速度已经稳定，可随时扣动扳机结束测量。
本次比测是将同一水位时，加格达奇水文站缆道断面缆道测流数据与电波流速仪测流数据进行对比率定。
2.4 比测记录及数据处理
由于加格达奇水文站水位位于99.08m以下时，断面水流过于平静，漂浮物较少，不利于电波流速仪使用。因此本次试验采用加格达奇水文站水位高于99.08m时，使得电波流速仪的应用达到最佳。我局于2014年8月31日开始进行了为期一周的电波流速仪流速实测，共测得13组有效数据，详见附表1-1至附表1-7。
临时断面测量工作于2014年12月20日开展，测量水下部分时，采用在临时断面上打冰眼并用测深杆测水深方法，冰眼分布为5m一孔，共计25孔。其中临近左岸约7孔冰眼水深较大，测深杆无法测出水深，故采用细绳挂铅坠方法测量水深。测量水上部分时，采用标准水准测量。如附图1。
通过使用流量计算软件计算出电波流速仪实际的流量数据，并查找2014年加格达奇水文站水位流量关系曲线图，找出对应铅鱼缆道实测流量，两者相互比较，得关系系数，如附表2。
2.5 所得系数及问题分析
2.5.1所得系数
从附表2中可看出，测号1到测号8、测号12、测号13，共计10组数据所得的1/2系数基本线性回归为0.82，曲线平滑且合理；但测号9到测号11，共计的3组数据所得的1/2系数全部为0.9以上，与上面10组数据所得曲线有较大偏差，暂时作为批判点保留。我们可从这次试验的13组数据中得出缆道测流方法与电波流速仪实测流量方法间的相关系数为0.816。
计算方法如下：
取保留的10组系数的平均值A：
A= (0.841+0.815+0.815+0.796+0.802+0.794+0.780+0.833+0.819+0.868)/10
= 0.8163
根据计算所得系数的均值为0.8163，我们进位到小数点后3位，得0.816。
2.5.2问题分析
首先，对于问题分析，我们考虑到了两个主要部分会导致误差的出现，即第一部分：现场实测过程，包括电波流速仪施测、水深的实测等。第二部分：计算过程，包括使用流量测算系统1.0软件进行计算、大断面图计算水深等。
1、现场实测过程中，由于测量的过程始终在桥面上进行，有时在施测的过程中，突然通过一辆大车，导致桥面晃动，从而导致电波流速仪的敏感度发生变化，影响水体流速测量的精度，从而使实测流量发生误差。
2、现场实测过程中，水位的高低会导致水中悬浮物以及漂浮物含量的不同，间接导致电波流速仪接收返回信号的数量，从而影响99.9秒内数据个数的均值。根据实测发现，水位越高，水中泥沙、悬浮物及水面漂浮物越多，电波流速仪所测得的水体流速越准确；反之，则越不准确。当水位很低时，甘河大桥所处的甘河河段主流流速较低，水体清澈，水中悬浮物及水面漂浮物也非常少，电波流速仪基本无法接受到返回信号，99.9秒内所接收的信号有时只有10个以下，甚至为0。
3、现场实测过程中，根据第2条可知，低水位情况难以试用，但高中水位情况多是由连续降雨导致的，故高中水位情况下使用很容易受到雨水的影响。根据实测经验发现，在有降雨的情况下使用电波流速仪会导致所测流速相对偏小，但具体偏小的系数暂时还无法估计。就说明书上所述可在降雨环境中测量水体流速提出质疑。
4、由于电波流速仪实测的断面为临时断面，无法及时得到整个断面的大断面图，也就无法第一时间得到每个测点的水深。只能等到12月份河流冰封，打冰眼测深。这就导致了前后有3个多月的时间差，河床变化造成的误差无法弥补。
5、在资料整理计算过程中，使用流量测算系统1.0软件进行计算时，由于软件的局限性，我们调节参数时无法完全拟合电波流速仪的特性，只能使用与之特性更加相近的参数来进行计算。但由于此问题只会造成整体性误差，也就是所
得系数的整体偏移，故对于试验电波流速仪测流的可行性影响不大。
主要产生误差的问题基本如上，现在分析附表2.测号9、10、11为何会出现系数偏大的原因。由于9月3日一整天都有小雨，局部时间有雷阵雨，故测流过程中，很可能是降雨使电波流速仪所测得的水体流速偏小，从而导致实测流量偏小，1/2系数偏大。测号9所得系数为0.935，测号10为0.928，测号11为0.922，三组数据非常相近，期间三组数据中相邻数据的水位变幅非常小，为0.01，实测流量也非常相近，故可推断其误差是由同一种因素——降雨造成的。
2.6 结论
根据以上所述，期间测号为9、10、11的三组数据由于降雨原因导致实测流量相对偏大，比测系数为0.92，相比其他测号所得比测系数偏大。故可剔除以保证其他10组数据的完整。从附表2.中可计算得到此次试验的比测系数为0.816。