微波流速仪动态积宽式流量测验技术应用研究

李德贵 宋海松 李兰涛 刘建军

摘要：目前，黄河水文站测验洪水流量的主要方式是流速仪法和浮标法，需要布设多条垂线进行定点测量，历时长，技术手段落后。采用微波流速仪搭载移动平台连续测量水面流速的方式，以借用断面计算流量，依托吴堡、龙门两水文站的吊箱、铅鱼缆道自动控制平台，开展了与传统流速仪法流量测验方式的对比试验。结果表明：该种流量测验方式可密集获取测验断面的水面流速分布，缩短测验历时，提高洪水流量的自动测报水平，具有推广应用价值。

关键词：流速仪法：浮标法：比测试验：动态积宽式测验：流量测验：微波流速仪

中图分类号：P332；TV882.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.004

1 概述

流速是最基本的水文要素，流速测验是水文监测中最基础、最重要的流量测量项目之一。目前，国内大部分水文站在流量测验时通常采用常规的流速仪法、浮标法，在河流断面上布设若干垂线测出点流速，再通过流速面积法计算出流量。在大洪水期间，尤其是水流急、含沙量大、漂浮物多的复杂水情下，常规仪器难以下水，浮标测验用人多、历时长、精度低。微波流速仪是利用多普勒效应原理，以非接触方式测量水面流速的一种新型测流仪器，国内部分测站已应用该仪器进行了垂线定点测量的比测试验，取得了较好的效果。

笔者利用微波流速仪，采用动态积宽的方式测量整个断面的水面流速，选择黄河干流吴堡、龙门两个水文站，分别将微波流速仪安装于吊箱和铅鱼上，匀速运行吊箱和铅鱼，在行走过程中保持仪器距水面的距离固定（误差小于20 cm），连续测量水面流速并实时传输至室内计算机，室内计算机同时测量记录起点距数据，由获取的断面流速分布，利用借用的大断面计算出断面流量。

2 试验测站概况

吴堡、龙门两个水文站均为国家重点报汛站，处于黄河泥沙的主要来源区，该区域也是黄河暴雨洪水的主要来源区。

吴堡站测验河段顺直长约600 m，河势较稳定，主流偏右岸。断面左岸为斜坡，右岸为石砌护岸。河床左侧部分为淤土，下部为岩石：主槽为岩石，上覆1.5～2.0 m厚的砾石和泥沙：右侧部分为淤土砾石，下部为岩石。龙门站河段顺直长约400 m，两岸为岩石陡壁，近矩形断面，为沙质河床，洪水时河床冲淤变化剧烈。

吴堡站主要的渡河测验设备为两台吊箱，其水平运行由岸上电力驱动，变频调速。其中：1号吊箱为全自动水文吊箱遥测平台，垂直运行由吊箱自带锂电池驱动，设计有悬杆测深、流速仪自动测流系统；2号吊箱为普通电动升降吊箱，由人工施测水深、流速。龙门水文站主要渡河测验设备为两个重铅鱼电动缆道，其水平和垂直运行都由岸上电力驱动，变频调速。

两个水文站均采用流速面积法计算流量。流速测量仪器通常为转子式流速仪，流速测量采用选点法，即将流速仪停留在测速垂线的预定测点上，测定各测点一定历时的流速，计算垂线平均流速，进而计算断面流量。大洪水时期用浮标法施测流量。

3 试验仪器设备及软件

试验所用测速仪器为河南安宏信息科技有限公司研制的YMCP-I型非接触式微波流速仪及通信设备和软件。吴堡水文站完整的测量系统包括微波流速仪、水文吊箱缆道测验设施与自动智能化控制平台、数据传输设备等：龙门水文站完整的测量系统包括微波流速仪、水文重铅鱼缆道测验设施与白动智能化控制平台、风速风向仪和数据传输设备等。

3.1 微波流速仪

YMCP-1型非接触式微波流速仪测量流速的原理：通过微波探头向水面发射一束微波（频率为37GHz），该微波到达水面后发生反射（漫反射）和折射，反射波被微波探头接收，并经圆极化混频器之后产生与水流速度对应的多普勒频率信息，结合倾角传感器测量的微波发射俯角（微波方向与水平方向的夹角），依据多普勒原理即可计算出水流的速度。YMCP-I型微波流速仪主要技术指标：测速范围，0.3～ 15.0 m/s：测量俯角，600～ 900：测量方位角（发射波和水流方向在水平面上的夹角），00～ 300；测量时段，以秒为单位，可连续测量或固定1、10、20、30、60 s等单位；测量精度，均方差≤3%；电源，12 V、8.8 Ah大容量可充电锂电池；平均功耗，小于10 W。

3.2 配套设备

为了研究风速风向对水面流速测量的影响，配置了风速风向仪，在进行微波流速仪积宽式水面流速采集时，同时采集风速风向数据。风速风向仪的主要技术指标：测量范围，风速0～ 70 m/s，風向00～ 3600：准确度，风速+0.3 m/s，风向+30。为了将采集的风速、风向数据实时传回室内，配置了短波无线数传电台。

微波流速仪和风速风向仪分别安装于吊箱或铅鱼上进行数据采集，技术人员通过操作水文缆道测验设施与白动智能化控制平台来控制吊箱或铅鱼的白动运行。微波流速仪、风速风向仪与控制室之间通过无线方式实现数据传输。

技术人员可自主设定微波流速仪距水面的高度，其中龙门站铅鱼的垂度补偿通过事先测算好的主缆垂度曲线得到，吴堡站吊箱的垂度补偿采用实时测量吊箱距水面距离的方式得到。龙门站铅鱼的水平和垂直运行通过2台变频器分别控制电机实现，铅鱼在水平运行时，控制系统能根据铅鱼在不同起点距时缆道垂度的变化进行自动调整，并使铅鱼保持在设定高度水平运行。吴堡站吊箱的水平运行通过变频器控制循环电机来实现，吊箱的垂度补偿由吊箱上的PLC（可编程逻辑控制器）控制直流电机运行来实现。

3.3 配套软件

根据比测试验要求，开发了微波流速仪动态积宽式测流综合软件（测量界面见图1）。流速测验时，由软件控制吊箱或铅鱼匀速行走，系统各设备实时采集流速、起点距、风速、风向等数据，通过数传电台传回到计算机；起点距由缆道（吊箱或铅鱼）控制系统采集，利用有线方式传输到计算机：水位由人T输入到计算机，读人借用大断面数据。

在测流过程中，测流综合软件记录每个测点采集或计算的起点距、水面流速、水深、风速、风向等数据，计算两条垂线间的平均水面流速、平均水深、间隔、部分面积、部分流量等，测流结束时软件自动计算、获得整个断面的虚流量（水面流速乘以断面面积所得流量）及该测次的统计数据，所有的测验数据均保存到计算机。

4 比测试验

4.1 设备安装

按照各仪器设备的安装要求，在承载平台（吊箱或铅鱼）上安装微波流速仪、风速风向仪及数传电台等设备，在室内安装数据接收设备。在室内测控计算机上安装微波流速仪动态积宽式测流综合软件，设置有关系数、参数（如微波流速仪测验时距水面的高度、设备限位值）等，各设备安装完成后进行加电测试，正常后即可进行比测试验。

4.2 比测试验及要求

采用流速仪法测流的同时，布设相应的微波流速仪实施测流并观测相应水位。主要要求为：

（1）本项比测试验，微波流速仪采用动态积宽式测流，软件为微波流速仪动态积宽式流量测验综合软件：流速仪法为测站目前采用的正常测流方法，岸边系数采用水文站现有系数值。

（2）微波流速仪可与流速仪法同时测流，也可单独测流。微波流速仪单独测流时应在开始、终了观测水位，视水位变化情况适时加测，并与水文站的水位流量曲线所查流量进行对比。

（3）微波流速仪测验流量计算是在系统控制下，安装有微波流速仪的运载平台（吊箱或铅鱼）匀速行走的过程中，以借用大断面数据中起点距为标记，经过一个垂线起点距为开始，到下一个垂线起点距为结束，在此期间采集的所有流速数据经过中值滤波、均方差平均作为两个垂线间的平均流速，再计算两条垂线间的距离、平均水深，计算出两条垂线间的过水面积，即可得出这两条垂线间的部分流量。控制系统边行走、边采集、边计算、边存储，行走完断面即可计算出整个断面的虚流量。

（4）按照时间顺序对比测流量测次编号，填写微波流速仪流量测验记载表。

（5）每完成一次全断面数据采集后，软件将自动记录保存测量数据，输出流量成果表、垂线流量成果表、流速测量成果表等。

4.3 比测数据

吴堡站比测试验自2017年8月2日至9月18日，历时48 d。收集微波流速仪试验资料100次，其中85次为单独测流，通过水位流量关系推求的流量和实测流量作为标准流量，与微波流速仪测得的流量建立对比系列。比测期间，微波流速仪测得的最大流量为1 640 m3/s，最小流量为162 m3/s，最大流速为3.35 m/s，比测资料满足分析要求。

龙门站比测试验白2017年7月11日至10月14日，历时96 d，收集微波流速仪试验资料102次，其中59次为单独测流，通过水位流量关系推求的流量和实测流量作为标准流量，与微波流速仪测得的流量建立对比系列。比测期间测得的最大流量为1 260 m3/s，最小流量为497 m3/s，最大流速为6.91 m/s，比测资料满足分析要求。

5 比测成果分析

5.1 比测数据处理

中值滤波法是基于排序統计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号平滑处理技术，其基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，让周围的像素值接近于实测值，从而消除孤立的噪声点。中值滤波算法比较简单，也易于用软件实现。

本文微波流速仪所测流速就是运用中值滤波法过滤掉非正常信号，得到有效流速信号，有效流速数据经过计算算术平均值后作为两条垂线间的平均流速。

5.2 水面流速与垂线平均流速相关分析

选取吴堡水文站比测试验中与实测流量同时进行对比的测次中的部分测速垂线，用这些垂线的平均流速与对应垂线的微波流速仪所测水面流速点绘相关关系。由于左右岸边流速较小，微波流速仪对小流速不敏感，因此剔除掉左右岸垂线流速小于0.5 m/s的数据，得到的相关关系见图2，可以看出虚流速与垂线平均流速的相关性比较好。

5.3 虚流量和实测流量相关分析

分别点绘吴堡、龙门两水文站微波流速仪所测虚流量与流速仪法实测或水位流量关系线推求的流量相关关系（见图3、图4）并计算相关系数，可以看出断面虚流量与实测流量的确定系数均在0.9以上。

5.4统计误差与分析

相对误差均值X、标准差S、随机不确定度Xwb，分别采用下列公式计算：式中：n为样本总数；X_i为微波流速仪测量流量第i次测量误差值。

误差评估按《河流流量测验规范》（ GB 50179-2015）[1]中的规定：“对断面比较稳定和采用试验浮标系数的测站，均匀浮标法单次流量测验的允许误差不应超过表C.1.4的规定。”均匀浮标法单次流量测验的允许误差见表1。

吴堡水文站微波流速仪所测流量的误差统计见表2。

吴堡水文站微波流速仪在试验比测期间共测流100次，有42个测次在同期同条件下可进行往测和回测平均，分别对吴堡水文站微波流速仪100次全样本、往测和回测均值42次样本进行统计及误差分析。微波流速仪主要是针对测量大洪水的。笔者分析所测流量及流速发现：当吴堡站所测流量在400 m3/s以下时，所测水面流速有1/2～ 2/3在1 m/s以下：当所测流量在200 m3/s以下时，所测水面流速大都在1 m/s以下。因此，笔者又进行了往测和回测均值剔除流量小于390 m3/s的情况与实测值的相关分析，见图4。从表2可以看出，吴堡水文站微波流速仪在各种分类情况下的系统误差都较小，但是随机不确定度都比较大，只有“往测和回测平均（剔除小流量点）”的情况下的随机不确定度才满足三类精度站的要求。

龙门水文站微波流速仪所测流量的误差统计见表3。

龙门水文站微波流速仪在试验比测期间共测流102次，但前期由于测流软件存在问题，因此造成记录计算结果不正确。软件正常后往测和回测分别测试31、30次，有28次符合往测或回测平均要求。从表3可以看出，龙门水文站微波流速仪比测不论是往测还是回测，单次测量指标均不符合规范要求，经往测和回测平均后才满足规范对三类精度站的要求（样本数为28时，按照《河流流量测验规范》（ GB 50179-2015）规定，表3中的随机不确定度计算时乘以系数2.052）。

6 结语

（1）经吴堡、龙门两水文站的比测试验，并对比测资料进行统计分析，微波流速仪动态积宽式测流技术在多沙河流尤其漂浮物较多时应用效果显著。

（2）与浮标法流量测验技术比较，应用微波流速仪动态积宽式测流，测验数据的计算、存储、输出等自动化水平都得到较大提高，并减少了人力。

（3）有效缩短了测流历时。微波流速仪动态积宽式测流在吴堡水文站一次流量测量时间平均为17 min，往返约35 min；龙门水文站一次流量测量时间平均为15min往返约30 min，可有效缩短测流历时50%以上，为快速、准确测量大洪水提供了一条新的技术途径。

（4）通过比测试验，认为微波流速仪主要应用于大洪水测验。所测流速需大于微波流速仪测量下限，采用动态积宽式测流技术需用往测和回测的平均值作为一次测量结果。

（5）建议继续组织开展并扩大试验范围。受时间限制，本次试验未能测得比较大的洪水，以后应继续组织开展试验，收集洪水比测资料，以获得更大的应用范围。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.河流流量测验规范：CB 50179-2015[S].北京：中国计划出版社，2016：14- 101.