电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用

摘要：介绍了电波流速仪的测量原理、比测试验分析情况，以及在三期截流龙口流速监测中的应用效果

关键词：电波流速仪 水面流速 截流龙口 三峡工程

1　　概述

电波流速仪测量水面流速，通过水面流速系数的换算达到测量河流流量的目的，已在具备电波流速仪环境条件的（如桥梁、缆道吊箱等）小河流水文站使用。该仪器采用无接触测流，不受含沙量、漂浮物影响，具有操作安全，测量时间短，速度快等优点。

三峡工程明渠截流龙口水流条件复杂，能否应用电波流速仪监测龙口流速，没有成功的经验。为此，在充分调研仪器性能的同时，还在截流现场比测试验，论证仪器的适用性，并成功在应用于截流龙口的流速监测。本文简要介绍电波速流仪的测量原理、主要技术指标、比测试验及在截流龙口流速监测的应用效果。

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，电磁波在不同介质表面发生反射时当波源、观察者、媒质之间发生相对运动时，引起电磁波频率改变的原理制成。在满足施测条件下，只与媒质（水体）运动速度有关，且只与水体表面水力情况有关，也与水中漂浮物无关。

应用电波流速仪测速时，波源与观察者不动，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：

……………………………………（1）

式中，，，。 为多普勒频率， 为发射频率，为接收到的回波频率，为电磁波在空气中的传播速度，为水面流速， 为发射波波长，为发射波与水面方向夹角，由方位角与俯角构成。

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，这与机械转子式流速仪测量的原理是不一样的，机械转子式流速仪测得的是点平均流速。同样，电波流速仪也与ADCP所得流速也不一样，ADCP得到的是断面或垂线流速分布，比电波流速仪更能反映水体各层的流速情况。

2.2主要技术指标

表1　　　　　　电波流速仪主要技术指标

3 仪器比测试验及分析

3.1比测试验情况　　　　　　

2002年8月20日，分别在三峡工程黄陵庙水文站和导流明渠进出口（即三期截流上、下龙口处）现场比测，其中在黄陵庙水文站用旋浆式流速仪（LS25-3A）对比试验，由于导流明渠流速大未能用流速仪对比试验，但进行了同流量级的水面流速流向观测，可用作电波流速仪的对比资料，以验证电波流速仪的适应性。

3.2比测成果分析

　　（1）测速稳定性分析

对同一测点多次测验流速值，两种仪器均很稳定，一般绝对误差在0.1m/s以内。由于SVR-VP是手持测量，探头的微动会导致测验结果的变化，所以流速值变化稍大。另外水面流速也是有脉动的，多次测量值出现一定的波动是正常的。

（2）与LS25-3A流速仪的对比

在黄陵庙水文站与LS25-3A流速仪对比测验表明，两种电波流速仪所测误差很小。

（3）与浮标法水面流速的对比

利用导流明渠水面流速流向图，对比电波流速仪的流速变化情况，总体上说其变化的趋势是好的，由于流态图中被测点处没有浮标迹线，只是大致的估计值，因此不能作为对比分析电波流速仪精度的真值。

从这些比测数据的对比情况看，电波流速仪的误差与水平角和垂直角（俯角）、测程有关，这与黄委会水文局已有比测资料和成果是一致的。

3.3仪器比测结论

从比测资料分析，SVR-VP型和LD15-1型电波流速仪在一定使用条件下，可以取得满意的成果。两种仪器分别在明渠实测到7.2m/s和5.93m/s的水面流速，可满足明渠截流设计的最大流速测量需要。

根据现场比测和黄委会水文局的应用经验，LD15-1型电波流速仪的俯角取值不宜小于30°、大于45°，水平角取值不宜大于45°，否则将产生大的偏差。对SVR-VP，其使用说明书中规定水平角和垂直角最佳取值为0°至45°。可见SVR-VP比LD15-1使用范围更大一些。

4 电波流速仪在龙口流速监测中的应用

4.1龙口流速监测方案的选择

三峡三期截流下龙口流速测验，按《三峡三期明渠截流水文监测方案》要求，在形成龙口前（即口门宽140m前）采用走航式ADCP监测口门纵横断面流速分析。当龙口缩窄至100m～80m时，测船无法进入龙口测验，此时即采用电波流速仪施测龙口水面流速。

由于电波流速仪仅测水面流速，实际应用时应与ADCP等流速仪有一个重合的观测时期，以使不同仪器施测流速时保持资料的一致性。初步确定，至少从口门宽200m开始，电波速仪与ADCP同步监测下口门流速。

4.2电波流速仪测站点的布设

以电波流速仪探头为圆心，建立空间坐标系，根据实测水平角和俯角，计算出被测点（实际为电波流速仪电波发射在水面的椭圆形区域的中心点）。计算时测点高程、仪器高及水位均为已知值。被测点平面坐标计算公式如下，并设沿水流方向为轴，沿横断面方向为轴：

……………………（2）

……………………（3）

…………………………………………（4）

式中，（）为电波流速仪探头平面坐标，（）为被测水面点坐标，为探头距水面的垂直距离，为水平角，为垂直角（俯角），为电波流速仪测程。

根据电波流速仪的最大有效测程（SVR-VP为200m，LD15-1为100m），以及水平角＜45°、垂直角（俯角）＜45°的自动补偿极限值。采用（2）式、（3）式和（4）式反推电波流速仪测站点，由于龙口在不断的缩窄，故测站点也应布设多个，以满足各级龙口宽度测量需要。测站点布设如表3。

表3　　　　 电波流速仪测站点布设方案表

4.3方案实施

4.3.1龙口水面流速监测

在龙口水面流速实际监测中，应根据口门宽调整较好的测站点，同时应根据被测水面流速点，反算出电波流速仪的水平角和垂直角。电波流速仪从2002年10月26日开始，与ADCP等流速仪的对比观测，11月1日13时正式施测上下龙口流速，共计收集了100余点流速成果，实测到了龙口合龙全过程的最大流速资料。

4.3.2戗堤头上、下挑角水面流速监测

由于SVR-VP发射角小（仅为12°），对局部小水域流速测量非常容易。当需要监测戗堤头上、下挑角水面流速时，采用SVR-VP直接照准被测水体发射，能快速测得流速数据，如2002年11月2日17时25分，测得上龙口左、右堤头流速分别为3.90m/s和4.00m/s。

4.3.3监测成果分析

鉴于电波流速仪仅能得到水面流速值，不能反映龙口垂线流速分布的变化情况，因此根据实测资料（即电波流速仪与ADCP的同步观测资料）建立龙口水面流速与最大流速（见图1）、水面流速与龙口落差及分流量等系列数学模型，一方面验证电波速仪的测验精度，另一方面也修正有关特征流速。由于上、下龙口垂线测速分布形式不同（1），水面流速系数（即水面流速与最大流速之比）亦不同，经分析上、下龙口水面流速系数分别为0.969和0.902。利用这个系数来修正龙口实测最大流速值，如采用电波流速仪实测上龙口最大流速为6.00m/s（2002年11月2日17时25分），修正后为6.19m/s；下龙口最大流速为5.13 m/s（2002年11月2日6时），修正后为5.58m/s。

5 结语

电波流速仪应用于三峡明渠截流，是ADCP等先进仪器设备的重要补充方案，在实际测量中取得了较好的效果，测到了截流合龙全过程最大水面流速资料，其成果经分析合理可靠。同时，电波流速应用于截流龙口这种复杂水域，也拓展了该仪器的应用范围，为今后推广应用该仪器提供了实例。