電波流速儀在明渠截流水文監測中的應用

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 李雲中1 宋海松2
上傳時間:2006/2/17 10:37:00

摘要:介绍了電波流速儀的測量原理、比測試验分析情況,以及在三期截流龍口流速監測中的應用效果

關鍵詞:電波流速儀 水面流速 截流龍口 三峽工程

1    概述

電波流速儀测量水面流速,通過水面流速系數的换算達到測量河流流量的目的,已在具備電波流速儀環境條件的(如橋梁、缆道吊箱等)小河流水文站使用。該仪器采用無接觸測流,不受含沙量、漂浮物影響,具有操作安全,測量時間短,速度快等优點。

三峡工程明渠截流龍口水流條件復雜,能否應用電波流速仪監測龍口流速,沒有成功的经驗。為此,在充分調研儀器性能的同時,還在截流現場比測試驗,论證儀器的適用性,并成功在應用於截流龍口的流速監測。本文簡要介紹电波速流儀的測量原理、主要技術指標、比測試驗及在截流龍口流速監測的應用效果。

2 電波流速儀的測量原理及技術指標

2.1測量原理

电波流速儀是利用多普勒效應,電磁波在不同介質表面發生反射時當波源、观察者、媒質之間發生相對運動時,引起電磁波頻率改變的原理制成。在滿足施測條件下,只與媒質(水體)運動速度有關,且只與水體表面水力情況有關,也與水中漂浮物無關。

應用電波流速儀测速時,波源與觀察者不動,水體相對運動,引起反射波的頻率改变(電波流速儀僅利用反射波),改变量的大小,與水體流动的相對速度有關。發射波頻率與反射波頻率的差值,就是多普勒頻率。用數學公式表示為:

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用……………………………………1

式中,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用為多普勒頻率,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用 為發射頻率,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用為接收到的回波頻率,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用為電磁波在空气中的傳播速度,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用為水面流速,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用 為發射波波長,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用為发射波與水面方向夾角,由方位角與俯角構成。

電波流速儀發射波呈橢圓狀發散在水面,其橢圓形區域大小與測程、電磁波發射角有关,因此電波流速儀測量的水面流速是橢圓形區域的面平均流速,這與機械轉子式流速儀測量的原理是不一樣的,機械轉子式流速儀测得的是點平均流速。同樣,電波流速儀也與ADCP所得流速也不一樣,ADCP得到的是斷面或垂線流速分布,比電波流速儀更能反映水體各層的流速情況。

2.2主要技術指標

1            電波流速儀主要技术指標

儀器型號

SVR-VP

LD15-1

測速範圍(m/s)

0.3-13

0.5-10

最大有效測程(m

200

50100

發射角( °)

12

未知

功率(MW)

10

20

電波頻率(GHZ)

24

10.525

環境溫度( °)

-30+70

0+45

產地及廠商

美國德卡托電子公司

南京船舶雷達研究所

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3 儀器比測試驗及分析

3.1比測試验情況            

2002820日,分別在三峽工程黃陵廟水文站和導流明渠進出口(即三期截流上、下龍口處)現場比測,其中在黃陵廟水文站用旋漿式流速仪(LS25-3A)對比試驗,由於導流明渠流速大未能用流速儀對比試验,但進行了同流量級的水面流速流向觀測,可用作电波流速儀的對比資料,以驗證電波流速儀的適應性。

3.2比测成果分析

  1)測速穩定性分析

對同一測点多次測驗流速值,两種儀器均很穩定,一般絕对誤差在0.1m/s以內。由于SVR-VP是手持測量,探頭的微動會導致測驗結果的變化,所以流速值變化稍大。另外水面流速也是有脈動的,多次測量值出現一定的波動是正常的。

2)與LS25-3A流速儀的對比

在黃陵廟水文站與LS25-3A流速儀對比測驗表明,兩種電波流速仪所測誤差很小。

3)與浮標法水面流速的對比

利用導流明渠水面流速流向圖,對比電波流速仪的流速變化情況,總體上說其變化的趨勢是好的,由於流態图中被測點處沒有浮標跡線,只是大致的估計值,因此不能作為對比分析電波流速儀精度的真值。

從這些比測數據的對比情況看,電波流速儀的誤差與水平角和垂直角(俯角)、測程有關,這与黃委會水文局已有比測資料和成果是一致的。

3.3儀器比測結論

從比測資料分析,SVR-VP型和LD15-1型電波流速儀在一定使用條件下,可以取得滿意的成果。兩種儀器分别在明渠實測到7.2m/s5.93m/s的水面流速,可滿足明渠截流設計的最大流速測量需要。

根據現場比測和黃委會水文局的應用經驗,LD15-1型電波流速儀的俯角取值不宜小於30°、大於45°,水平角取值不宜大於45°,否則將產生大的偏差。對SVR-VP,其使用說明書中規定水平角和垂直角最佳取值為0°至45°。可見SVR-VPLD15-1使用範圍更大一些。

4 電波流速儀在龍口流速監測中的應用

4.1龍口流速監測方案的選擇

三峡三期截流下龍口流速測驗,按《三峽三期明渠截流水文監測方案》要求,在形成龍口前(即口門寬140m前)采用走航式ADCP監測口門縱橫斷面流速分析。当龍口縮窄至100m80m時,測船無法進入龙口測驗,此時即采用電波流速仪施測龍口水面流速。

由於電波流速儀僅測水面流速,實際應用時應與ADCP等流速儀有一個重合的觀測時期,以使不同儀器施測流速時保持資料的一致性。初步确定,至少從口門寬200m開始,電波速儀与ADCP同步監測下口門流速。

4.2電波流速儀測站點的布設

以電波流速儀探頭為圓心,建立空間坐標系,根據實測水平角和俯角,計算出被測點(實際為電波流速儀電波发射在水面的橢圓形區域的中心點)。計算時測点高程、儀器高及水位均为已知值。被測點平面坐标計算公式如下,並設沿水流方向為电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用軸,沿横斷面方向為电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用軸:

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用……………………2

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用……………………3

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用…………………………………………4

式中,(电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用)為電波流速儀探頭平面坐標,(电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用)為被測水面點坐標,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用為探頭距水面的垂直距離,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用为水平角,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用为垂直角(俯角),电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用為電波流速儀测程。

根據電波流速儀的最大有效測程(SVR-VP200mLD15-1100m),以及水平角电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用45°、垂直角(俯角)电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用45°的自動補偿極限值。采用(2)式、(3)式和(4)式反推電波流速儀測站點,由於龍口在不斷的縮窄,故測站點也應布设多個,以滿足各級龙口寬度測量需要。測站點布設如表3

3       电波流速儀測站點布設方案表

測站點

距戧堤軸線距離(m

適用口門寬(m

使用儀器

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用範圍

DP01

200

200

ADCPSVR-VP

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用45°,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用5°

DP02

100

100

SVR-VPLD15-1

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用45°,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用15°

DP03

50

50

SVR-VPLD15-1

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用45°,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用20°

DP04

30

30

SVR-VPLD15-1

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用45°,电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用30°

4.3方案實施

4.3.1龍口水面流速監測

在龍口水面流速實际監測中,應根據口門寬調整較好的測站點,同時應根據被測水面流速點,反算出電波流速儀的水平角和垂直角。電波流速儀從20021026日開始,與ADCP等流速儀的對比觀測,11113時正式施測上下龍口流速,共計收集了100余點流速成果,實測到了龙口合龍全過程的最大流速資料。

4.3.2戧堤頭上、下挑角水面流速監測

由於SVR-VP發射角小(僅為12°),對局部小水域流速測量非常容易。當需要監測戧堤頭上、下挑角水面流速時,采用SVR-VP直接照準被測水體發射,能快速測得流速數據,如20021121725分,測得上龙口左、右堤頭流速分別為3.90m/s4.00m/s

4.3.3監測成果分析

鑒於電波流速儀僅能得到水面流速值,不能反映龍口垂線流速分布的變化情況,因此根據實測資料(即電波流速儀與ADCP的同步觀測資料)建立龍口水面流速與最大流速(見圖1)、水面流速與龍口落差及分流量等系列數學模型,一方面驗證電波速儀的測驗精度,另一方面也修正有关特征流速。由於上、下龍口垂線測速分布形式不同1,水面流速系數(即水面流速與最大流速之比)亦不同,经分析上、下龍口水面流速系數分別為0.9690.902。利用这個系數來修正龍口实測最大流速值,如采用電波流速儀實測上龍口最大流速為6.00m/s20021121725分),修正後為6.19m/s;下龍口最大流速為5.13 m/s20021126時),修正後為5.58m/s

电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用

5 結語

電波流速儀應用於三峽明渠截流,是ADCP等先進儀器設備的重要補充方案,在實際測量中取得了較好的效果,測到了截流合龍全過程最大水面流速資料,其成果經分析合理可靠。同時,電波流速應用於截流龙口這種復雜水域,也拓展了該儀器的應用範圍,為今後推廣應用该儀器提供了實例。

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