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水利工程论文-电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用.doc

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水利工程论文-电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用.doc

水利工程论文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SVRVPLD151测速范围m/s0.3130.510最大有效测程(m)20050~100发射角°12未知功率MW1020电波频率GHZ2410.525环境温度°30~700~45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(LS253A)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SVRVP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LS253A流速仪的对比在黄陵庙水文站与LS253A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,SVRVP型和LD151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,LD151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SVRVP,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SVRVP比LD151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(SVRVP为200m,LD151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DP01200200ADCP,SVRVP<45°,<5°DP02100100SVRVP,LD151<45°,<15°DP035050SVRVP,LD151<45°,<20°DP043030SVRVP,LD151<45°,<30°4.3方案实施4.3.1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。4.3.2戗堤头上、下挑角水面流速监测由于SVRVP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SVRVP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。4.3.3监测成果分析鉴于电波流速仪仅能得到水面流速值,不能反映龙口垂线流速分布的变化情况,因此根据实测资料(即电波流速仪与ADCP的同步观测资料)建立龙口水面流速与最大流速(见图1)、水面流速与龙口落差及分流量等系列数学模型,一方面验证电波速仪的测验精度,另一方面也修正有关特征流速。由于上、下龙口垂线测速分布形式不同(1),水面流速系数(即水面流速与最大流速之比)亦不同,经分析上、下龙口水面流速系数分别为0.969和0.902。利用这个系数来修正龙口实测最大流速值,如采用电波流速仪实测上龙口最大流速为6.00m/s(2002年11月2日17时25分),修正后为6.19m/s下龙口最大流速为5.13m/s(2002年11月2日6时),修正后为5.58m/s。5结语

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