电波流速仪在明渠截流水文监测中的应用.doc

1 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, 2 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 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 3 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, ADC P 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。 主要技术指标表1 电波流速仪主要技术指标仪器型号 4 SVR-VP LD15-1 测速范围(m/s) -13 -10 最大有效测程( m) 200 5 50~ 100 发射角(°) 12 未知功率(MW) 10 6 20 电波频率(GHZ) 24 环境温度(°) -30 ~ +70 0~ +45 7 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论文联盟 。 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。 比测成果分析 8 (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 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 9 测资料和成果是一致的。 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 和 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-V P 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 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