电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用.docx
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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
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
仪器型号
SVR-VP
LD15-1
测速范围(m/s)
0.3-13
0.5-10
最大有效测程(m)
200
50~100
发射角(°)
12
未知
功率(MW)
10
20
电波频率(GHZ)
24
10.525
环境温度(°)
-30~+70
0~+45
产地及厂商
美国德卡托电子公司
南京船舶雷达研究所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
测站点
距戗堤轴线距离(m)
适用口门宽(m)
使用仪器
、范围
DP01
200
200
ADCP,SVR-VP
<45°,<5°
DP02
100
100
SVR-VP,LD15-1
<45°,<15°
DP03
50
50
SVR-VP,LD15-1
<45°,<20°
DP04
30
30
SVR-VP,LD15-1
<45°,<30°
4.3方案实施
4.3.1龙口水面流速监测
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