SVR电波流速仪的比测试验与分析

SVR电波流速仪的比测试验与分析
摘要介绍美国产SVR电波流速仪的性能和特点,以民和水文站为例,对美国产SVR电波流速仪进行对比试验分析,得出水面及中泓系数。

证明美国产SVR 电波流速仪为一种理想且先进的水面流速测量仪器,同时试验分析成果可供其他水文站借鉴和参考。

关键词SVR电波流速仪;比测分析;系数;误差;民和水文站
ComparativeTestandAnalysisofSVRElectromagneticCurrentMeter
REN Shu-juanJIA Kang-zhongQUAN Xiong-zhangWEI Tao
(Minhe Hydrological Station,Yellow River Conservanly Commission,Minhe Qinghai 810800)
AbstractThe paper introduced characteristics and specialities of SVR electromagnetic current meter of USA. Taking Minhe hydrological station for example,by comparative test and analysis of SVR electromagnetic current meter,the coefficient of surface and midstream were got. The results showed that the SVR electromagnetic current meter was an ideal and advanced measuring instrument of surface flow velocitrp. The results should provide references for other hydrological stations.
Key wordsSVR electromagnetic current meter;comparisons and analysis;coefficient;error;Minhe hydrological station
1比测内容与方法
1.1测站概况
民和水文站是1940年1月设立的基本水文站,是黄河一级支流湟水的重要把口站,位于东经102°48′、北纬36°20′,集水面积15 342 km2,至河口距离75 km,主要观测水位、流量、含沙量、降水量、蒸发量等项目,历年实测最高水位1 173.03 m(假定基面),推算3个断面最高水位1 765.00 m(黄海基面),最大流量1 300 m3/s,最大含沙量843 kg/m3。

1.1.1流域概况。

湟水发源于青海省海晏县包呼图北部的洪呼日尼哈,河源海拔4 395 m。

河水自河源由北向南流,至海晏县三角城转向东南流,经湟源县城转向
东偏南流,经湟中、西宁、互助、平安、乐都、民和等7县市,于甘肃省永靖县傅子村注入黄河。

湟水属山溪性河流,流域形状似扇形,流域内降水时空分布很不均匀,属半干旱的高原大陆性气候,寒冷干燥是区内主要气候特点,气候垂直变化明显,年平均气温在2.5～7.5 ℃,年降雨量在350～600 mm。

流域形状西宽东窄,地势自西向东南逐渐降低。

1.1.2断面概况。

站房位于河道左岸,左岸顶距离水面约15 m左右,呈80～90°斜坡,河道右岸有甘青高速公路桥通过,在河段下部入河占河道2/5顺流向延伸40 m,河道左转与高速公路桥分开,对河段的水文观测和测验(特别在高水时)有一定影响;基上80 m以上河道形体为一大弯形,且此段河道坡降大,中高水时波浪大,流速快。

1.1.3水沙来源和特性。

湟水从水沙来源上说,有典型的水沙异源特征,径流57%来自湟水西宁站以上流域,泥沙80%来自西宁站以下区间。

该河属山溪性河流,水流湍急,陡涨陡落,含沙量断面分布比较均匀。

西宁以上流域来水,涨落较缓,受降水时空分布地理等影响,大洪水多呈双峰形态,水沙主要来源于乐都以下,暴涨暴落,峰形尖瘦。

西宁以上流域植被较好,坡度较缓,水土流失较小;西宁以下黄土覆盖逐渐加厚,植被较差,人工干预较多,水土流失严重,为湟水的主要产沙区。

1.2比测目的
民和水文站陡涨陡落的洪水特点,给流速仪测取流量带来很大不便,甚至是不可能的,这就需要用其他的测验手段来测取断面流速。

美国产SVR电波流速仪是一种理想且先进的水面流速测量仪器,同时试验分析成果可供其他水文站借鉴和参考。

1.3SVR电波流速仪的主要特点和技术指标
SVR电波流速仪由美国德卡托电子公司为美国USGS(美国地调局)制造,专门用于河流水面流速测量。

由于体积小巧,形似手枪,厂家称其为“测速雷达枪”。

具有以下特点:①单人使用,总重1.3 kg,手持测量或置于三角架上。

②耗电少,内置可充电电池,连续工作5 h,5 min无操作自动关机。

③内置倾斜传感器,自动改正俯仰角,手动选择水平改正角。

④防雨淋,在异常天气使用不受影响。

⑤测速范围0.3~9.1 m/s。

⑥测速精度0.1 m/s。

⑦环境温度变化-30~70 ℃。

⑧电波发射锥度角12°。

⑨电波发射标称功率25 mW。

⑩电波频率24 GHz。

1.4水面流速测量
美国产SVR电波流速仪由于测量水流表面多普勒效应,需要一定的反射能量,水面漂浮物和水面波动可以形成反射能量,很容易测到高速水流表面物体的流速,漂浮物如浮草、树枝和颗粒等都可以给电波流速仪提供足够的反射信号,水面波动同样可以提供很好的反射信号。

测量时,手持雷达枪开机后指向水面扣动扳机,即进入测量状态,时间开始为10 s,以后以每5 s增加,1个点测量55 s,也可根据需要选择10、15、55 s测量,测取的流速为该选择时段内的平均流速。

1.5比测
民和水文站流量测验全年均在电动吊箱缆道上进行,在流速仪测验的同时进行电波流速仪的测量,电波流速仪测速测深垂线的选择与流速仪测量的垂线相同,用同一实测的水深分别进行流速仪测验流量的计算和电波流速仪测量虚流量计算[1-3]。

2比测结果与分析
2.1比测资料的统计计算
总计比测28次,其计算公式为:
Kds=;Kdz=;Kds=;Kdz=
式中,Kds:电波流速仪系数;Kdz:中泓电波流速仪系数;Qi:断面流量(m3/s);:断面平均流速(m/s);dsx:电波流速仪断面水面平均流速(m/s);Vdzx:电波流速仪断面中泓平均流速(m/s);Qdsx:电波流速仪虚流量(m3/s);Qdzx:电波流速仪中泓虚流量(m3/s)。

2.1.1电波流速仪系数。

根据流速仪实测流量资料和电波流速仪测虚流量资料分别计算系数,计算式为:
Kdi==
电波流速仪的系数为:Kd=
式中,Vi、Qi、Vdsxi、Qdsxi为某次流量断面平均流速和流量以及相应电波流速仪测得的平均虚流速和虚流量,n为总比测次数。

经计算,电波流速仪的系数为:Kd=17.49/28=0.62。

2.1.2电波流速仪中泓系数。

选择主流起点距在21、24、27 m的3条垂线为代表垂线,用电波流速仪在3条垂线上测水面流速,计算其均值dzx=,用dzx计算电波流速仪中泓虚流量Qdzx=A•dzx,利用电波流速仪中泓虚流量与相应流速仪法流量计算电波流速仪中泓系数,计算式为:
Kdzi==
电波流速仪的中泓系数为:Kdz=
式中,Vdzx为电波流速仪3条垂线平均水面流速;Vdzx21、Vdzx24、Vdzx27为电波流速仪在起点距21、24、27 m测得的水面流速;Qdzx为电波流速仪中泓虚流量;A为断面面积;Kdzxi、dzxi、Qdzxi分别为某次流量相应电波流速仪中泓
系数、3条垂线平均水面流速、中泓虚流量。

经计算,电波流速仪中泓系数为:Kdz=14.55/28=0.52。

2.2电波流速仪系数与中泓系数误差评定
根据国家标准《河流流量测验规范》(GB50179-93)第7章,流量测验误差可分为随机误差和未定系统误差。

随机误差应按正态分布,采用置信水平为95%的随机不确定度描述。

未定系统误差采用置信水平不低于95%的系统不确定度描述,不确定度数值用百分数表示[4-5]。

2.2.1电波流速仪系数和中泓系数不确定度的估算。

根据流速仪和电波流速仪比测资料,进行电波水面系数和中泓系数的误差统计计算。

电波测流成果的断面流量计算公式为:
Qdsi=KdsQdsxi=Kds(bididsi)
Qdzi=KdzQdzxi=Kdzdzi(bidi)
式中,Qdsi、Qdzi:电波法测得的水面和中泓流量(m3/s);Kds、Kdz:电波法的水面和中泓系数;bi、di:断面内部分宽度和水深(m);Qdx、Qdzx:电波法测得的水面和中泓虚流量(m3/s);dsi、dzi:电波法测得的水面和中泓平均流速(m/s)。

根据误差传播与综合的方法,假定影响断面的各项因素可作为随机变量处理。

电波系数和电波中泓系数不确定度的估算公式,本可参照一次流量不确定度估算公式的推导方法,建立各个单项误差的综合计算公式,但因缺乏试验数据,无法取得单项误差指标,从取用电波系数的实际情况出发,采用下式估算系数的不确定度[6]。

Xkd=2(1)
Xkdz=2(2)
式中,Xkd:电波水面系数不确定度(%);Xkdz:电波中泓系数不确定度(%);Qdsi:电波流速仪流量(m3/s),Qdsi=KdsQdsxi;Qi:流速仪测流量(m3/s);Qdzi:电波流速仪中泓流量(m3/s),Qdzi=KdzQdzxi。

根据式(1)、(2),利用比测资料进行计算,可得出电波流速仪水面和中泓系数不确定度。

电波流速仪水面和中泓系数不确定度分别为:Xkd=3.91%,Xkdz=5.38%。

2.2.2电波流速仪系数和中泓系数系统误差的估算。

电波流速仪系数和中泓系数系统误差的估算计算公式为:
s=×100%
z=×100%
式中,s:电波流速系数系统误差,z:电波流速中泓系数系统误差。

经计算系统误差分别为:s=-17.78/28=-0.64%,z=8.79/28=0.31%。

2.3电波法测流一次流量随机不确定度的估算
电波法的流量测验总不确定度由流量测验总随机不确定度和总系统不确定度组成[7]。

2.3.1总随机不确定度的估算。

根据国标《河流流量测验规范》(GB 50179-93)第7.6.2条之规定,浮标法测流总随机不确定度的计算,应按式计算: XQ=±X′m2+X′2+X′2+(X′2+X′2+X′2+X′2)(3)
因电波流速测量方法不同于浮标法,不需要像浮标法中,上、中、下3个断面的存在,电波测流断面位置、测深、测速等均同于流速仪法测流,所以对上述估算可进行一些变动,则(3)式可变为:
X′=±X′
X′=±X′2+X′2+X′2+(X′2+X′2+X′2)
各分量误差指标的采用:由于电波和流速仪测量在同一个断面,测深测速垂线相同,所以有些分量指标可用流速仪指标来替代,电波流速仪随机不确定度的设定因没有资料,暂借流速仪率定随机不确定度(表1)。

2.3.2总系统不确定度的估算。

总系统不确定度按下式计算:
X′Q=±=±0.87%
2.3.3总不确定度的估算。

总不确定度按下式计算:
X=±=6.24%
X=±=7.25%
2.4系数及误差统计
运用电波法测流水面和中泓系数不确定度的结果还是比较理想,其系数分别为:Kd=0.62,kdz=0.52。

其置信水平95%的不确定度分别为:Xkd=3.91%,Xkdz=5.38%。

电波法测流一次流量随机不确定度的估算值:X′=6.18%,X′=7.20%。

电波法测流一次流量总不确定度的估算
值:XQd=6.24%,XQz=7.25%。

3结论与讨论
根据计算结果比较分析,认为SVR电波流速仪系数比测分析结果是理想的,其综合不确定度和系统误差都比较小,基本达到流量测验规范对误差的要求,成果可以应用于实际测量中。

电波法测流相对浮标法测流具有很多优点,主要有测流时间短、需要人员少、内业工作量小,配合一定的程序在电脑上进行内业计算,能够在大洪水时迅速、快捷、准确有效的保证洪峰过程测验和水情拍报的要求。

电波法测流的精度介于流速仪测流和浮标法之间,因其影响测验精度的因素要少于浮标法,所以相对于浮标法,电波法精度要高于浮标法;根据有关文献介绍和浮标系数综合分析成果介绍,认为高水浮标系数基本趋于稳定的,假定电波系数高水时的特性也同于浮标系数特性趋于稳定。

4参考文献
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