电波流速仪在水文监测中的应用分析
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作者: 宋文树
一、测量原理及技术指标
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。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。
二、仪器比测试验及分析
1、比测试验情况。2002年8月20日，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，在黄陵庙水文站进行的旋浆式流速仪（LS25―3A）对比试验由于导流明渠流速大未能进行，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。
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，两者所测误差很小。（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、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。
三、电波流速仪在龙口流速监测中的应用
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，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。
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。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α＜45°、垂直角（俯角）β＜45°的自动补偿极限值。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、方案实施。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。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。等。
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。
（作者单位：黑龙江合江林业勘察设计院）
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