吳堡站水面流速系數(shù)分析計算

吳堡站水面流速系數(shù)分析計算

1水面流速比測試驗傳輸速度法是南京船舶探測雷達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雜、水流湍急、含沙量較大、水面漂浮物較多以及普通轉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型旋槳式流速儀進行了水面流速比測試驗。經(jīng)比測,其性能穩(wěn)定性及測速準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際生產(chǎn)使用。但在使用過程中,我們發(fā)現(xiàn):借用浮標系數(shù)作為電波流速儀系數(shù),對電波流速儀流量測驗精度有較大影響。為了使電波流速儀更好地應用于實際工作中,并保證一定的測驗精度,本文將通過比測試驗及理論分析,對吳堡水文站電波流速儀系數(shù)進行分析計算。2電速儀的結構、原理和應用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,其結構框圖見圖1。電波流速儀的基本原理是根據(jù)雷達多普勒效應,利用連續(xù)波雷達來實現(xiàn)回波的相位信息,即利用發(fā)射信號的水面回波與基準信號的多普勒頻率差來提取流速信息。當雷達照射水面并發(fā)射電磁波時,必然會有一部分電磁波能量經(jīng)水面反射回來構成回波,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,即可計算出測點水面流速。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,還必須確定其水面流速系數(shù),通過該系數(shù)方可將實測到的水面流速轉換為垂線平均流速,來計算斷面流量;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,轉換為斷面實際流量。2.2在儀器性能穩(wěn)定性及錨點檢測準確性方面的應用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,進行了電波流速儀性能穩(wěn)定性及其測速準確性的比測試驗,其結果見表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)定性及其測速準確性方面,基本能滿足實際生產(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際生產(chǎn)使用中,用于水情復雜、水流湍急、含沙量較大、水面漂浮物較多以及普通轉子式流速儀無法入水等特殊水情下的流量測驗。但由于沒有進行前期電波流速儀系數(shù)的比測試驗(即電波流速儀與LS25-1型旋槳式流速儀測流的比測試驗),故在電波流速儀的使用中,各站均借用浮標系數(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、水深及風速等因素的影響,斷面上各點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)律是準確測定斷面流量的前提和基礎。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處的點流速;y為相對水深;vm為垂線平均流速。3.2浮標性能參數(shù)設計浮標系數(shù)是采用浮標法測流的基礎數(shù)據(jù)和前提條件,其值等于斷面實際流量與浮標虛流量之比。在浮標法測流中,采用浮標系數(shù)的大小直接影響測流成果的精度。浮標系數(shù)是一個受多因素影響的綜合系數(shù),其大小主要受風向、風力、浮標的型式和材料、浮標入水深度、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)驗公式為:式中:Kf為斷面浮標系數(shù);K1為斷面平均水面流速系數(shù);A為浮標阻力分布系數(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)與浮標系數(shù)雖有一定的內在聯(lián)系,但卻是兩個完全不同概念、不同量值的物理量,如果將浮標系數(shù)借用于水面流速儀,來計算斷面流量,勢必影響流量的測驗精度。4水面流速系數(shù)分析4.1垂線平均流速與測點流速之比值關系選擇吳堡水文站1990年以來的精測法流量資料,摘錄其中五點法測速垂線,計算各測點流速與垂線平均流速之比值,點繪相對水深與測點流速與垂線平均流速之比值的關系圖(見圖3),統(tǒng)計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為點流速;P為流速分布參數(shù),一般取0.6,相當于謝才系數(shù)C=40～60。由式(5)按積分法計算垂線平均流速為:其水面流速系數(shù)為:5波速計系數(shù)分析5.1同步試驗方案吳堡水文站電波流速儀系數(shù)試驗始于1997年,6年間共進行流量比測試驗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,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,計算該次比測試驗的電波流速儀系數(shù)。在電波流速儀系數(shù)試驗中,為了使試驗的電波流速儀系數(shù)具有較好的代表性,我們在不同天氣及不同水情條件下,進行了LS25-1型旋槳式流速儀不同測法(五點法、三點法、二點法及一點法)與電波流速儀不同測速歷時的組合比測試驗。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)試驗成果可以看出:在16次比測試驗成果中,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。采用計算的平均電波流速儀系數(shù),由電波流速儀施測虛流量,計算斷面流量。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、相對標準差及相對不確定度,并進行誤差分析(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%,相對標準差為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,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,嚴格地說是在一個拋物線上,而并非在一個固定的斷面線上。②在各次電波流速儀測流時,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,事實上其斷面是無法實測的,計算其虛流量時,均需借用旋槳式流速儀的實測斷面。④電波流速儀測量的是水面波浪的運動速度,而LS25-1型旋槳式流速儀測量的是水面流速,實際上是水下一定深度處(測速時要保證槳葉不露出水面)的點流速,二者并非完全一致。而且,由于受風的影響,這是一個不確定的影響因素。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),而并非一個固定斷面的水面流速系數(shù)。(2)電波流速儀系數(shù)與浮標系數(shù)也不相等。從結果來看,如借用浮標系數(shù)作為電波流速儀系數(shù),勢必會導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,測站浮標系數(shù)應大于其水面流速系數(shù),但分析結果卻出現(xiàn)了相反的情況:吳堡水文站使用浮標系數(shù)為0.82(建站初期由比測試驗而得),經(jīng)驗相關法分析的水面流速系數(shù)為0.86,經(jīng)驗公式法分析的水面流速系數(shù)為0.90,其原因有待進一步分析論證。7測量放電溫度、流速經(jīng)電波流速儀系數(shù)的比測試驗,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℃,冰期測驗時,應避免在氣溫低于0℃時使用。(2)當電波流速儀采用某一俯角測流時,有時會出現(xiàn)測速不穩(wěn)定等異常情況,此時,可適當調整電波流速儀的測速俯角,再繼續(xù)進行測量。(3)平水期,當水流流速較小或含