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SVR电波流速仪在黄河中下游的应用探索

发表时间：2021/6/11 来源：《基层建设》2021年第6期作者：齐雪艳康皓帆

[导读] 摘要：文中结合SVR电波流速仪特点，以花园口站和夹河滩站为试点，开展黄河中下游的探索应用。

        黄委河南水文水资源局河南郑州 450004
        摘要：文中结合SVR电波流速仪特点，以花园口站和夹河滩站为试点，开展黄河中下游的探索应用。通过对60组试验数据进行分析，认为SVR电波流速仪可在黄河中下游测站应用，测验结果能够满足现行规范要求，但测验结果分散性大，建议将该仪器作为大洪水应急手段使用，同时进一步丰富试验数据，补充大洪水及特大洪水测验资料，提高分析结论的可靠性和仪器的适用性。
        关键词：SVR电波流速仪；黄河中下游；大洪水
        1.引言
        新中国成立以来，特别是十八大以来黄河治理取得巨大成就，但洪水风险依然是黄河流域的最大威胁。据统计，黄河下游形成长约800km的“地上悬河”，其中新乡市河段高于地面20m。“地上悬河”的形成使下游防洪形势更加严峻。黄河下游滩区既是黄河滞洪沉沙的场所，也是190万群众赖以生存的家园。为响应习近平总书记“让黄河成为造福人民的幸福河”的伟大号召，黄河下游水害隐患亟需解决。及时、准确的水情信息是防汛部门科学应对大洪水进行决策和部署的基础数据支撑[1]。高质高效的水文测验是水情信息能够及时有效获取的重要保障。因此，快速地获取有效的水文测验数据对防汛抗洪工作更加重要。
        黄河下游河床属游荡性，断面变化不易固定，河道水位流量关系紊乱，水面较宽，水深较大，且汛期高含沙洪水时断面易形成涟子水，水文测验危险系数陡增。目前，黄河中下游水文站常规测验多以船舶为渡河设备，铅鱼测深，流速仪测速，继而计算得出流量，耗时约为2-3小时，测验效率较低，水情信息的及时性较差。因此，为有效抵御洪水，降低洪水灾害损失，保障人民安全，利用新仪器、新设备快速、有效、准确地获取河道流量信息尤为重要。
        2.仪器介绍
        手持式SVR电波流速仪（俗称“雷达测速枪”），为非接触式流速测验仪器，是美国德卡托Decatur电子公司制造的专业测速设备。该设备通过发射电波获取水面流速，进而推求垂线平均流速，利用实测断面数据计算出断面流量。在水流急、含沙量大、漂浮物多，常规测流仪器难以工作，尤其在投放浮标都比较困难的复杂水势条件下，SVR电波流速仪能够有效避免水中漂浮物影响，不受含沙量、漂浮物等的干扰，可快速有效获取流速数据。SVR电波流速仪具有测验效率高、安全便捷、工作稳定的特点，尤其适用于汛期抢测洪峰。
        3.应用成果分析
        3.1数据来源及获取
        花园口站为黄河中、下游分界站，是黄河河道流量的标准站。夹河滩站位于“地上悬河”河段，花园口-夹河滩河段是下游滩区防洪减灾控制河段，快速、准确掌握该河段水情是科学制定下游滩区防御洪水决策的关键。因此，本报告以两站为试点进行SVR电波流速仪探索应用。
        按照SVR电波流速仪与LS25-1型转子式流速仪测速同步进行的方式在两站流速仪测流断面进行试验。一人在测船上操作铅鱼，一人手持SVR电波流速仪同步测量水面流速，每条垂线SVR电波流速仪测速3次，取其平均值作为水面平均流速。流速仪测验测点布设采用相对水深水面、0.2、0.8三点测速，0.2、0.8两点法计算垂线平均流速。试验采用两站各30组数据进行应用探索分析。
        3.2误差分析
        对试验数据进行相关性分析，结果见图1和图2。从图中可以看出两站测速相关性较好，花园口站相关系数为0.996，夹河滩相关系数为0.927，R2均大于0.95。

        图1花园口站垂线平均流速与SVR测速相关线图

        图2夹河滩站垂线平均流速与SVR测速相关线图
        利用SVR电波流速仪测速数据推算断面流量，将推算结果进行流量折算后与线推流量进行三项检验、系统误差和随机不确定度统计，结果见表1。从各项误差统计结果来看，SVR电波流速仪测验误差均符合规范要求，说明该仪器在黄河中下游测站具有适用性，同时确定花园口站回归方程为，夹河滩站回归方程为 +0.0672。
        表1三项检验及误差分析统计表

        注：置信水平为95%。
        3.3误差分析
        （1）系统误差偏大，说明SVR电波流速仪测验结果偏大。本次试验采用的渡河设备为船舶，在测验航行过程中，船舶对水面产生扰动，使测验结果偏大。同时SVR电波流速仪测取的是水面流速，测验结果易受风力风向等天气条件影响。
        （2）SVR电波流速仪是利用多普勒效应原理，通过计算发射和接收到的电磁波频率得到水面流速。信号频率的高低取决于物体移动速度、仪器安装距离、反射率和运动目标的尺寸大小等。因此在比测试验过程中，仪器安装角度和高度也会对结果产生影响。
        3.4小结
        （1）从相关性分析来看，两站相关系数均大于0.9，说明雷达测速枪测取的水面流速与LS25-1型流速仪测验得出的垂线平均流速两者之间有着密切的相关性，说明SVR电波流速仪在两站利用报告中的回归方程进行洪水测验，方法可行，结果可靠。
        （2）从各项误差统计结果来看，SVR电波流速仪测验误差均符合规范要求，说明该仪器可在两站应用，但两站随机不确定度较大，尤其是夹河滩站，处于临界值，说明该仪器测验数据的分散性强[3]，误差范围大。由于本次试验样本系列较短，其代表性尚需进一步增加试验数据资料进行验证，但从分析结果来看，测验误差均在规范允许范围内，说明测验结果仍具有可靠性。
        4.结论及建议
        4.1结论
        （1）经过上述研究分析，可以认为黄河中下游测站利用SVR电波流速仪水面一点法测量水面流速并以此推算断面虚流量，最终将数据整合绘制线性回归方程来推求断面流量，方法可行，结果可靠。
        （2）SVR电波流速仪测验数据的分散性强，误差范围大，但均符合规范要求，说明该仪器可在两站应用，但数据稳定性不强，可作为大洪水或异常洪水应急测验手段备用。此结论与该仪器适用于大洪水抢测的特点相对应。
        4.2建议
        （1）本报告中流速采集集中分布在1.2-1.8m/s范围内，相对较低，建议加强高流速资料收集，进一步探索SVR电波流速仪在大洪水测验中的可应用性，丰富测站应对大洪水、特大洪水及异常洪水的测验手段，提高洪水测验人员的安全系数。
        （2）两站SVR电波流速仪测速结果均系统偏大，建议分析误差产生原因，提高仪器操作、安装及船舶驾驶人员技能，减小因船舶航行对水面扰动造成的流速叠加，提高测验精度。
        （3）SVR电波流速仪主要测取水面流速，风速、船舶航行引起的水面扰动、仪器安装角度等因素对测验结果影响较大，建议在下一步比测过程中，加强不同风力风向等外界气象因素及不同安装角度的比测结果收集，以期寻找最佳安装角度，削弱外界环境影响，加快SVR电波流速仪投产应用，提升测验效率和测验精度，提高防汛抗洪能力。
        参考文献
        [1]甘书楷,张琳,金苗苗.注重洪水预报在防汛抗洪中的作用[J].河南水利与南水北调,2010，(7);21,28.
        [2]GB50179-2015河道流量测验规范.北京：中国计划出版社，2015.
        [3]朱晓原,张留柱,姚永熙.水文测验实用手册[M].北京：中国水利水电出版社,2013.