吳堡站水面流速系數(shù)分析計(jì)算

吳堡站水面流速系數(shù)分析計(jì)算

1水面流速比測試驗(yàn)傳輸速度法是南京船舶探測雷達(dá)研究所和南京水利水文自動化研究所聯(lián)合開發(fā)的距離和非接觸水面速度法。由于其在測量過程中,不受水情、含沙量、雜草及水面漂浮物等影響,故特別適用于水情復(fù)雜、水流湍急、含沙量較大、水面漂浮物較多以及普通轉(zhuǎn)子式流速儀無法入水等特殊水情下的水面流速測量。1993年以來,黃委會中游水文水資源局先后引進(jìn)了4臺電波流速儀,并于1993～1994年汛期,分別在黃河干流吳堡水文站、支流延安、甘谷驛、大村、白家川等水文站與LS25-1型旋槳式流速儀進(jìn)行了水面流速比測試驗(yàn)。經(jīng)比測,其性能穩(wěn)定性及測速準(zhǔn)確性均能基本滿足生產(chǎn)需求,現(xiàn)已在吳堡、溫家川等水文站投入實(shí)際生產(chǎn)使用。但在使用過程中,我們發(fā)現(xiàn):借用浮標(biāo)系數(shù)作為電波流速儀系數(shù),對電波流速儀流量測驗(yàn)精度有較大影響。為了使電波流速儀更好地應(yīng)用于實(shí)際工作中,并保證一定的測驗(yàn)精度,本文將通過比測試驗(yàn)及理論分析,對吳堡水文站電波流速儀系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。2電速儀的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用2.1水面流速測量電波流速儀主要由探測器、數(shù)據(jù)處理器和電源三大部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。電波流速儀的基本原理是根據(jù)雷達(dá)多普勒效應(yīng),利用連續(xù)波雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)回波的相位信息,即利用發(fā)射信號的水面回波與基準(zhǔn)信號的多普勒頻率差來提取流速信息。當(dāng)雷達(dá)照射水面并發(fā)射電磁波時(shí),必然會有一部分電磁波能量經(jīng)水面反射回來構(gòu)成回波,由于水體的流動,接收到的信號頻率相對于發(fā)射頻率會有一定的偏移,根據(jù)其偏移量及多普勒頻率方程,即可計(jì)算出測點(diǎn)水面流速。式中:fd為多普勒頻率;f0為發(fā)射頻率;f1為接收到的回波頻率;v0.0為水面流速;c為電波在空氣中的傳播速度(3×108m/s);θ為發(fā)射波與水流方向的夾角。由此可見,電波流速儀是一種水面流速儀,其施測到的流速僅為水面流速,而要將其用于流量測驗(yàn),還必須確定其水面流速系數(shù),通過該系數(shù)方可將實(shí)測到的水面流速轉(zhuǎn)換為垂線平均流速,來計(jì)算斷面流量;或者確定其電波流速儀系數(shù),方可將電波流速儀所測虛流量,轉(zhuǎn)換為斷面實(shí)際流量。2.2在儀器性能穩(wěn)定性及錨點(diǎn)檢測準(zhǔn)確性方面的應(yīng)用1993-1994年汛期,黃委會中游水文水資源局組織力量分別在吳堡、延安、甘谷驛、大村、白家川等水文站,進(jìn)行了電波流速儀性能穩(wěn)定性及其測速準(zhǔn)確性的比測試驗(yàn),其結(jié)果見表1及圖2。從表1和圖2可以看出:電波流速儀在儀器性能穩(wěn)定性及其測速準(zhǔn)確性方面,基本能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。黃委會中游水文水資源局現(xiàn)已將電波流速儀在吳堡、溫家川等水文站投入實(shí)際生產(chǎn)使用中,用于水情復(fù)雜、水流湍急、含沙量較大、水面漂浮物較多以及普通轉(zhuǎn)子式流速儀無法入水等特殊水情下的流量測驗(yàn)。但由于沒有進(jìn)行前期電波流速儀系數(shù)的比測試驗(yàn)(即電波流速儀與LS25-1型旋槳式流速儀測流的比測試驗(yàn)),故在電波流速儀的使用中,各站均借用浮標(biāo)系數(shù)作為電波流速儀系數(shù),這勢必影響電波流速儀的測流精度。3比較飛流系數(shù)和浮標(biāo)系數(shù)3.1水面流速分布的規(guī)律不論采取何種方法測定斷面流量,要保證一定的測驗(yàn)精度,必須首先掌握斷面的流速分布規(guī)律。由于受斷面形狀、糙率、冰凍、水草、河流彎曲形勢、水深及風(fēng)速等因素的影響,斷面上各點(diǎn)的流速一般是不相等的,其沿水平及垂直方向有一定的分布規(guī)律,掌握這種分布規(guī)律是準(zhǔn)確測定斷面流量的前提和基礎(chǔ)。水面流速系數(shù)是垂線平均流速與該垂線水面流速之比值,其大小取決于垂線的流速分布規(guī)律。通過該系數(shù),我們可以由水面流速來確定垂線的平均流速。水面流速系數(shù)計(jì)算公式為:式中:K1為水面流速系數(shù);v(y)為相對水深y處的點(diǎn)流速;y為相對水深;vm為垂線平均流速。3.2浮標(biāo)性能參數(shù)設(shè)計(jì)浮標(biāo)系數(shù)是采用浮標(biāo)法測流的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和前提條件,其值等于斷面實(shí)際流量與浮標(biāo)虛流量之比。在浮標(biāo)法測流中,采用浮標(biāo)系數(shù)的大小直接影響測流成果的精度。浮標(biāo)系數(shù)是一個(gè)受多因素影響的綜合系數(shù),其大小主要受風(fēng)向、風(fēng)力、浮標(biāo)的型式和材料、浮標(biāo)入水深度、水流情況、河流斷面形狀以及河床糙率等因素影響。其半理論半經(jīng)驗(yàn)公式為:式中:Kf為斷面浮標(biāo)系數(shù);K1為斷面平均水面流速系數(shù);A為浮標(biāo)阻力分布系數(shù);Kv為斷面平均空氣阻力系數(shù)。綜上分析可見:水面流速系數(shù)與浮標(biāo)系數(shù)雖有一定的內(nèi)在聯(lián)系,但卻是兩個(gè)完全不同概念、不同量值的物理量,如果將浮標(biāo)系數(shù)借用于水面流速儀,來計(jì)算斷面流量,勢必影響流量的測驗(yàn)精度。4水面流速系數(shù)分析4.1垂線平均流速與測點(diǎn)流速之比值關(guān)系選擇吳堡水文站1990年以來的精測法流量資料,摘錄其中五點(diǎn)法測速垂線,計(jì)算各測點(diǎn)流速與垂線平均流速之比值,點(diǎn)繪相對水深與測點(diǎn)流速與垂線平均流速之比值的關(guān)系圖(見圖3),統(tǒng)計(jì)分析該站垂線流速分布規(guī)律。從圖3中可以看出:該站在相對水深分別為0.0、0.2、0.6、0.8、1.0處,測點(diǎn)流速與垂線平均流速之比值分別為1.160、1.117、0.981、0.876、0.721。采用式(3),經(jīng)計(jì)算,吳堡水文站水面流速系數(shù)為:4.2吳堡水文站垂線流速模型經(jīng)分析,吳堡水文站垂線流速分布規(guī)律與卡拉烏舍夫流速分布基本相近(見圖3),故可假設(shè)吳堡水文站垂線流速分布符合卡拉烏舍夫流速公式:式中:v為點(diǎn)流速;P為流速分布參數(shù),一般取0.6,相當(dāng)于謝才系數(shù)C=40～60。由式(5)按積分法計(jì)算垂線平均流速為:其水面流速系數(shù)為:5波速計(jì)系數(shù)分析5.1同步試驗(yàn)方案吳堡水文站電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)始于1997年,6年間共進(jìn)行流量比測試驗(yàn)16次,其水位變幅范圍為637.89～638.81m,流量變化范圍為351～1920m3/s。電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)的具體方法是:①在用LS25-1型旋槳式流速儀施測流量的同時(shí),將電波流速儀安裝在1#或2#吊箱上,采用固定水平角(0°)及固定俯角(30°),與LS25-1型旋槳式流速儀同步施測流量;②分別用LS25-1型旋槳式流速儀及電波流速儀測量成果,計(jì)算斷面流量及電波流速儀虛流量;③由LS25-1型旋槳式流速儀所測斷面流量及電波流速儀所測虛流量,計(jì)算該次比測試驗(yàn)的電波流速儀系數(shù)。在電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)中,為了使試驗(yàn)的電波流速儀系數(shù)具有較好的代表性,我們在不同天氣及不同水情條件下,進(jìn)行了LS25-1型旋槳式流速儀不同測法(五點(diǎn)法、三點(diǎn)法、二點(diǎn)法及一點(diǎn)法)與電波流速儀不同測速歷時(shí)的組合比測試驗(yàn)。其全部比測成果見表2。5.2放電流速儀測量的誤差分析從電波流速儀系數(shù)試驗(yàn)成果可以看出:在16次比測試驗(yàn)成果中,最大電波流速儀系數(shù)為0.92,最小電波流速儀系數(shù)為0.78,多次平均的電波流速儀系數(shù)為0.84。采用計(jì)算的平均電波流速儀系數(shù),由電波流速儀施測虛流量,計(jì)算斷面流量。以LS25-1型旋槳式流速儀施測的斷面流量為真值,計(jì)算電波流速儀施測流量的絕對誤差、相對誤差、系統(tǒng)誤差、相對標(biāo)準(zhǔn)差及相對不確定度,并進(jìn)行誤差分析(見表3及圖4)。從表3中可以看出:電波流速儀測流最大誤差為8.40%,系統(tǒng)誤差為-0.07%,相對標(biāo)準(zhǔn)差為5.17%,相對不確定度為10.33%。6旋槳式流速與透照系數(shù)比較表4為吳堡站水面流速系數(shù)、電波流速儀系數(shù)及浮標(biāo)系數(shù)對比分析表。從表4中可以看出:(1)電波流速儀系數(shù)與水面流速系數(shù)并不相等,經(jīng)分析,其主要原因有:①電波流速儀在吊箱上施測流量時(shí),采用的是固定俯角(30°),而由于吊箱主纜是有一定垂度的,故同次測流的電波流速儀水面測點(diǎn),嚴(yán)格地說是在一個(gè)拋物線上,而并非在一個(gè)固定的斷面線上。②在各次電波流速儀測流時(shí),由于水位及吊箱的高度一般是不同的,故不同測次的電波流速儀測流斷面一般是不一致的。③由于各次電波流速儀測流斷面不一致,事實(shí)上其斷面是無法實(shí)測的,計(jì)算其虛流量時(shí),均需借用旋槳式流速儀的實(shí)測斷面。④電波流速儀測量的是水面波浪的運(yùn)動速度,而LS25-1型旋槳式流速儀測量的是水面流速,實(shí)際上是水下一定深度處(測速時(shí)要保證槳葉不露出水面)的點(diǎn)流速,二者并非完全一致。而且,由于受風(fēng)的影響,這是一個(gè)不確定的影響因素。綜上分析可見,電波流速儀系數(shù)是一個(gè)電波流速儀測流斷面和旋槳式流速儀測流斷面的綜合水面流速系數(shù),而并非一個(gè)固定斷面的水面流速系數(shù)。(2)電波流速儀系數(shù)與浮標(biāo)系數(shù)也不相等。從結(jié)果來看,如借用浮標(biāo)系數(shù)作為電波流速儀系數(shù),勢必會導(dǎo)致電波流速儀測流成果系統(tǒng)偏小,從而影響電波流速儀的測流精度。(3)從理論上講,測站浮標(biāo)系數(shù)應(yīng)大于其水面流速系數(shù),但分析結(jié)果卻出現(xiàn)了相反的情況:吳堡水文站使用浮標(biāo)系數(shù)為0.82(建站初期由比測試驗(yàn)而得),經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法分析的水面流速系數(shù)為0.86,經(jīng)驗(yàn)公式法分析的水面流速系數(shù)為0.90,其原因有待進(jìn)一步分析論證。7測量放電溫度、流速經(jīng)電波流速儀系數(shù)的比測試驗(yàn),吳堡水文站電波流速儀系數(shù)為0.84,該系數(shù)可用于吳堡水文站今后的電波流速儀測驗(yàn)中,也可供其他使用電波流速儀的水文測站參考。我們在電波流速儀使用及其系數(shù)的比測試驗(yàn)中,有如下體會:(1)電波流速儀工作環(huán)境溫度范圍為0℃～45℃,冰期測驗(yàn)時(shí),應(yīng)避免在氣溫低于0℃時(shí)使用。(2)當(dāng)電波流速儀采用某一俯角測流時(shí),有時(shí)會出現(xiàn)測速不穩(wěn)定等異常情況,此時(shí),可適當(dāng)調(diào)整電波流速儀的測速俯角,再繼續(xù)進(jìn)行測量。(3)平水期,當(dāng)水流流速較小或含