电波流速仪在泾河源的应用
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摘 要：文章简要介绍斯德克电波流速仪的测量原理、主要技术指标、电波流速仪（SVR-V1.6和LS-10两种型号）的比测实验，分析电波流速仪的稳定性及应用系数，为该仪器在泾河源水文站流速测验中的应用积累一些经验。结果表明，电波流速仪与旋浆式流速仪同步观测的水面流速数据之间线性相关，斯德克电波流速仪可以应用于泾河源水文站的流速测验中。
关键词：电波流速仪；比测试验；水文测验；泾河源水文站
1 概述
由于旋{式流速仪测验精度高，长期以来北方地区常采用旋浆式流速仪作为河流流速的测量工具，但在实际测验中常受到含沙量大、漂浮物多等因素的影响无法施测。尤其是遇到水面漂浮物较多时，旋浆式流速仪下水困难，转子部分很快被水草缠绕，无法正常施测测点测流。电波流速仪是适用于一般江河及测流条件复杂困难情况下施测水面流速的一种新型仪器。该仪器为无接触水体的测流方式，不受水面漂浮物的影响，且具有携带方便，操作安全，测量速度快，精度高等优点。
随着宁夏回族自治区水文现代化监测工作的开展，2012年宁夏泾河源水文站配备了斯德克电波流速仪（SVR-V1.6）。泾河源水文站是自治区降水、径流最丰区代表站，该测站监测断面为宽浅型，由于河床比降大，洪水期断面冲淤变化频繁，落水过程常有分流现象。能否使用电波流速仪在本站测验断面的流速测验工作，还没有成功的经验。为此，确定在泾河源水文站进行常有流速仪与电波流速仪比测试验，既充分调研了仪器的性能，又可以验证电波流速仪在本区的适用性，从而论证电波流速仪施测水面流速的可行性。文章简要介绍斯德克电波流速仪的测量原理、主要技术指标、电波流速仪（SVR-V1.6和LS-10两种型号）的比测实验，分析电波流速仪的稳定性及应用系数，为该仪器在泾河源水文站流速测验中的应用积累一些经验。
2 电波流速仪的测量原理及技术指标
2.1 测量原理
电波流速仪是利用多普勒效应，通过电磁波遇到河道水体表面时发生反射，在波源、观察者、不同介质之间发生相对运动而引起电磁波频率改变的原理研制。在施测水面流速时，只与水体运动速度有关，且只与水体表面的流速有关，不受水中漂浮物的影响。
应用电波流速仪测速时，波源与施测者不动，水体相对运动，引起反射波的频率改变（电波流速仪仅利用反射波），改变量的大小，与水体表面流动的相对速度有关。发射波频率与反射波频率的差值，就是多普勒频率。用数学公式表示为：
电波流速仪发射波呈椭圆状发散在水面，其椭圆形区域大小与测程、电磁波发射角有关，因此电波流速仪测量的水面流速是椭圆形区域的面平均流速，这与机械旋浆式流速仪测量的原理有所不同，机械旋浆式流速仪测得的是点平均流速。
2.2 主要技术指标
斯德克电波流速仪的主要技术指标见表1。
3 泾河源水文站基本情况
泾河源水文站属黄河流域泾河水系泾河上游控制站，亦为六盘山东麓区域代表站，位于泾源县泾河源镇。该站自设立以来几经迁移，2010年5月迁移至离河源26km处，更名为泾河源（三）站。测验断面以上集水面积为152km2，河床平均比降24.4万分率。该站上游4.5km处有小（二）型龙潭水库一座，其集水面积为133km2，有削减洪峰流量延长洪水历时作用。上游系土石林山区，植被较好，是宁夏降水、径流最丰区代表站。设站以来，实测最大洪峰流量150m3/s（1980年7月27日），多年平均降雨量627mm，最大年降雨量873mm（1990年），最小年降雨量346mm（1997年），多年平均流量为1.39m3/s，洪水主要集中在7～8月，最大含沙量为129kg/m3（1982年8月8日）。
4 电波流速仪比测试验及成果分析
4.1 电波流速仪比测试验
自2012年泾河源水文站开展比测工作以来，施测者通过熟悉斯德克电波流速仪的工作原理，掌握其测速的正确应用方法，试验分析了电波流速仪水面系数，并根据施测时的实际情况，对受人为及外界干扰因素影响的单点成果、变化较大的异常数据进行分析和剔除，在不同流量级共收集水面流速系数比测资料60组。在比测时，对每条垂线上同时进行斯德克电波流速仪和旋浆式流速仪同点水面流速测速，做到同步观测。测验时在满足旋浆式流速仪的测验规范同时，严格按照斯德克电波流速仪的使用方法测流。同时，为了减少系统误差，测流时两种仪器在同一断面上进行。
泾河源水文站斯德克电波流速仪与LS-10型旋浆流速仪比测分析见表2。
4.2 比测成果分析
4.2.1 电波流速仪稳定性分析
使用斯德克电波流速仪测验流速时，由于是施测者手持测量，电波流速仪的微动现象，引起测验结果一定误差，另外还有流速的脉动现象影响，多次的测量数值若出现一定误差内的变化，一般绝对误差在0.13m/s以内，该测验仪器性能相对较稳定。
4.2.2 电波流速仪应用系数分析
在对比测数据分析时，为了保证分析成果的准确性和通用性，现选用各个测点的每条垂线旋浆式流速仪所测流速和对应的电波流速仪所测流速，作为一组独立的随机事件加入样本进行分析。按水文统计学原理将选用的实测资料进行相应的分析计算，并点绘两种仪器所测水面流速的相关关系图，建立两变量组之间的回归方程，分析其相关关系，取得电波流速仪的测速应用系数。
用计算机电子表格功能中的图表点绘功能绘制相关图后，并添加相关方程，得出数学公式为：y=0.8882x+0.1283，其中x为斯德克电波流速仪实测值，y为流速仪线性理论值，据此式可求得斯德克电波流速仪所测水面流速数据的系数，所得数据即为流速仪线性值， 相关系数R2=0.9150（见图1），为显著相关。
5 结束语
（1）从比测数据的对比情况得知，若按照使用说明书中规定垂直角最佳取值为45°左右时，所测数据误差较小，否则产生的偏差较大，另外电波流速仪的误差与水平角和测程也有一定关系。
（2）通过LS-10型旋浆流速仪与斯德克（SVR-V1.6）电波流速仪的比测，在分析60组比测数据的基础上，得出旋浆式流速仪水面流速与电波流速仪相关关系的相关方程为y=0.8882x+0.1283，呈线性关系。
（3）根据得到的相关方程可将电波流速仪的实测值进行转换，并应用于断面流速、流量的计算中，通过检验电波流速仪可以用于泾河源水文站流速测验中。在泾河源水文站今后的流速测验中将进一步检验电波流速仪的应用效果。
（4）斯德克电波流速仪在泾河源水文站的成功应用，为该地区开展水文巡测提供了技术支撑，为今后该仪器的推广应用提供经验。
参考文献
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