一种实验室冰塞冰坝雷达测量试验装置和方法

摘要

本发明涉及一种实验室冰塞冰坝雷达测量试验装置和方法，包括：非金属的水槽，水槽顶部跨放有桁架，桁架通过升降机构与水面平行的雷达平板连接，雷达平板上放置测量雷达，雷达平板下方设有浸泡在水中的透水测量桶，透水测量桶的桶底为能够升降的透水板，透水测量桶中放置模型冰块；桁架上设有能够将桁架上下左右晃动的握柄。本发明通过在透水测量桶中建立模拟的冰塞冰坝，对冰塞冰坝的形成和特性进行试验，能够针对冰塞冰坝和冰下水深雷达测量中雷达回波图像和介电常数等难点开展系统研究，以提高相应设备的测量精度，并推动相关学科的进一步发展。整套装置构造简单，成本低廉，试验方式简单有效。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验室冰塞冰坝雷达测量试验装置和方法，是一种测试实验方法和装置，是一种冰塞冰坝厚度和冰下水深雷达测量方法的实验方法和装置，是一种研究和发展冰塞冰坝雷达测量理论和技术的方法和装置。

背景技术

入冬以后，气温降低，水体失热，水温降至0℃以下时，河道中便会产生冰花，进而出现流冰。流冰受水流条件、地形条件和风向等影响会相互堆积形成冰盖。当水流速度较小时，冰盖厚度主要受单一流冰厚度的控制，流冰顺序排列互相冻结，形成“平封”；当水流速度大或地形条件合适时，流冰回旋或潜入冰盖前缘以下形成厚度较大的冰盖，其冰面极不平整，形成“立封”。上述冰凌生消、发展和演变的过程，会导致河道过水能力的降低，在河流交汇口、急缓流交界或者河道断面突然束窄河段则易于形成冰塞、冰坝等，造成凌汛灾害。

我国北方河流地处高纬度地区，冬季都存在各种冰凌问题，时常造成损失。如，我国的黄河，几乎每年都有凌汛危害存在，20世纪60年代前的防冰减灾工作主要靠堤防、人工打冰、爆破、飞机轰炸、炮弹等措施，随着三门峡水利枢纽和刘家峡水电站投入运用，在水库的调蓄作用下，黄河的凌汛危害大为减轻，但是黄河宁蒙河段的凌汛问题目前仍未完全解决。黄河宁蒙河段全长约1217km，冬季封冻期约在120天，封冻长度一般在800km，最长达到1200km，宁蒙河段在1951~2010年的60年中有13年发生了凌汛堤防决口灾害，平均不到5年一次。我国另外一条凌汛危害严重的河流是黑龙江，黑龙江地处北纬47～53度之间，冬季平均封冻160～180天，封冻长度由上游漠河县洛古河村到孙吴县哈达沿村，约1004公里，经常发生冰塞、冰坝的位置约22处。1916~2014年的98年中黑龙江有26年发生过严重的凌汛灾害，普通的冰坝长度也达到10~20km，最长可达30~50km，冰坝形成后的壅水高度一般为6~8m，最高可达13m。最近的2009年和2010年，黑龙江冰坝造成的直接经济损失就达到了1335和6772万元。输水工程中的引黄济青工程、引黄济津、南水北调中线工程均存在冰塞、冰坝等问题，影响冬季的安全供水。如2010年引黄济津冬季输水期间，小王庄扬水站由于冰堵拦污栅，阻断水流，造成全部机组被迫停机。2008年1月29日，引黄济淀穿卫枢纽工程，短时间内在倒虹吸进口处形成冰坝，致使倒虹吸阻塞，造成冰塞险情。

冰塞、冰坝厚度和冰下水深的准确测量是认识冰塞、冰坝灾害，开发相关减灾、防灾技术的前提条件。但是由于冰塞冰坝具有多空隙、不规则、结构强度极不稳定等特点，使得河道人工原型测量难度很大，甚至有生命危险。因此现有的冰塞冰坝数据极少，已经影响到了防冰减灾工作的进一步发展和完善。

近年来随着雷达技术的发展，采用雷达非接触式现场测量冰塞冰坝厚度和冰下水深正在成为可能，但是雷达非接触式测量首要前提是有准确的冰塞冰坝、冰下水体介质的介电常数和清晰可辨的雷达回波图像，而上述参数主要受冰塞冰坝的孔隙率和河床条件的影响。冰塞冰坝和冰下水体介质的介电常数可以野外原型人工冰面打孔测量标定，但又涉及到上述所阐述的安全性问题；雷达回波图像的清晰程度取决于雷达频率和算法，野外现场测试成本高昂。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种实验室冰塞冰坝雷达测量试验装置和方法。所述的装置和方法通过在实验室中的装置模拟真实环境，以非接触式的雷达设备对冰塞冰坝进行测量，排除非必要因素的干扰，推进河冰测量理论和防冰减灾技术的研究和发展。

本发明的目的是这样实现的：一种实验室冰塞冰坝雷达测量试验装置，包括：非金属的水槽，所述的水槽顶部跨放有桁架，所述的桁架通过升降机构与水面平行的雷达平板连接，所述的雷达平板上放置测量雷达，所述的雷达平板下方设有浸泡在水中的透水测量桶，所述透水测量桶的桶底为能够升降的透水板，所述的透水测量桶中放置模型冰块；所述的桁架上设有能够将桁架上下左右晃动的握柄。

进一步的，所述的水槽的水平投影为矩形，一侧壁上设有水深标尺。

进一步的，所述的桁架为井字形桁架，所述的井字形桁架的八个端部分别设有滑轮，所述的滑轮搭在导轨上。

进一步的，所述的升降机构是螺杆和螺母。

进一步的，所述的雷达平台和透水测量桶的水平投影为矩形，桶壁由四块孔板构成，桶底由一块孔板构成，孔板上开孔的直径应小于模型冰平均粒径的0.5倍。

进一步的，所述的构成桶壁的四块孔板通过四根竖直的支撑梁连接，支撑梁上设有距离标尺。

进一步的，所述的支撑梁设有沿长方向延并伸能够插入孔板边缘的卡槽。

进一步的，所述的桶底孔板的边缘设有能够牵引桶底孔板升降的牵引绳。

进一步的，所述的模型冰块为聚乙烯块。

一种使用上述装置的实验室冰塞冰坝雷达测量试验方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，制作模型冰块：使用密度与天然冰块近似的聚乙烯制备体型大小不同的多种模型冰块；

步骤2，水槽底部设置介质：根据实验方案在水槽底部者铺设卵石、泥沙，或者卵石和泥沙的混合物，如果实验方案无需在槽底铺设任何介质，则跳过本步骤；

步骤3，设置水深和模型冰块：根据实验需要依据水深标尺在水槽中注水或调整水深，将一种或几种按一定配比混合的模型冰块放入透水测量桶中，拉起牵引绳使桶底达到目标位置附近；模型冰块放入透水测量桶之前，通过称重和密度换算计算透水测量桶内的模型冰块的总体积V1；

步骤4安放设备：将桁架、升降机构、雷达平板、透水测量桶、模型冰块放入水槽中；

步骤5，调整模型冰块空隙度：通过导轨将试验平台的前后、左右、上下等三个维度方向的反复震动使得模型冰块在孔板内能够均匀堆积，然后通过牵引绳微调桶底，使漂浮的模型冰块模拟的冰塞冰坝模型的底部均匀，并记录此时冰塞冰坝模型的厚度、测量桶内的总体积V2和冰下水深，并计算当前冰塞冰坝模型的孔隙率V1/V2；

步骤6，雷达测量：将雷达放入雷达平板，通过升降机构调整雷达平板，使雷达平板尽量靠近水面，开启雷达进行测量，并记录测量结果，对比分析雷达测量值与实测值之间的误差，进一步分析雷达回波图像和介电常数的变化特性；

步骤7，调整实验条件或结束：或者回到步骤2，使用不同的孔隙率、不同尺寸的冰块和冰下水深开展系统的重复和比较试验，或者结束实验。

本发明产生的有益效果是：本发明通过在透水测量桶中建立模拟的冰塞冰坝，对冰塞冰坝的形成和特性进行试验，能够针对冰塞冰坝雷达测量中雷达回波图像和介电常数等难点开展系统的理论性研究，以提高相应设备的测量精度，并推动相关学科的进一步发展。整套装置构造简单，成本低廉，试验方式简单有效，与传统的在野外进行测量的方式相比，能够大大降低测量的风险、费用和成本，提高测量精度。本发明不仅可以研究冰塞冰坝孔隙率和河床条件对介电常数的影响，也可为不同条件下的雷达回波图像进行测试，进而丰富雷达冰塞冰坝和冰下水体测量理论，并为雷达野外原型的准确测量提供关键依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一、二、三、四、五、六、八所述装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例二、三所述的井字形桁架、雷达和雷达平板的结构示意图，是图1中A向视图；

图3是本发明的实施例五、六、七所述的透水测量桶的结构示意图，是图1中B-B向剖视图；

图4是本发明的实施例十所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种实验室冰塞冰坝雷达测量试验装置，如图1所示。本实施例包括：非金属的水槽1，所述的水槽顶部跨放有桁架2，所述的桁架通过升降机构3与水面平行的雷达平板4连接，所述的雷达平板上放置测量雷达5，所述的雷达平板下方设有浸泡在水中的透水测量桶6，所述透水测量桶的桶底601为能够升降的透水板，所述的透水测量桶中放置模型冰块7；所述的桁架上设有能够将桁架上下左右晃动的握柄201。

本实施例所述的水槽可以采用水平投影为正方形设计，例如采用长宽高为2*2*2m的正方形水槽，并采用不含钢材的砖混结构制成，以防止钢材的强雷达回波信号对冰塞冰坝测量的影响，当然也可以采用水平投影为圆形的水槽。水槽顶部还可以设置滑轨，用于使得放置雷达的试验平台可以前后、左右移动。水槽的主要作用是通过布置的刻度尺，模拟不同的冰下水深和不同的河床底部，如卵石河床，泥沙河床等。

整个试验装置还包括桁架，设置在桁架上的握柄、支撑梁（导轨）、透水测量桶、升降机构等组成。

桁架跨在水槽的槽帮顶端，使雷达和测量桶等实验设备能够控制在水面或浸泡在水中的适当位置。桁架也可以有多种形式，如采用十字形桁架，或者井字形桁架等。桁架上握柄的作用是通过前后、左右、上下等三个维度方向的反复震动使得模型冰块在透水测量桶内能够均匀堆积，使得试验时能够专注于冰塞孔隙率对雷达测量精度的影响研究，避免影响因素的多种化和复杂化对数据分析的影响。

雷达测量平板用于承载雷达。雷达测量平板必须是非金属的，以避免隔断射入水中的雷达波。在实验中雷达测量平板应当尽量靠近水面，以提高雷达回波强度，由于在实验中需要模拟不同的冰下水位，因此雷达测量平台也需要不断升降，为此设置了升降机构。升降机构可以有多种选择，如采用螺杆和固定螺母的升降机构，通过升降螺杆和固定螺母使得雷达的位置能够根据不同的水位上下调节。

透水测量桶是一种十分关键的设施。透水测量桶的作用是将模拟冰块聚集在一起，形成一定空隙率条件的模拟冰塞冰坝，以便对雷达测量在理论上进行分析和研究。

透水测量桶也必须是非金属的，可以采用各种形式，如采用非金属网围成，或者用几块孔板拼接而成。透水测量桶的水平投影可以是圆形或正方形。透水测量桶的底部应当能够上下移动，进而模拟不同的冰塞冰坝的孔隙率条件，并使得模拟冰塞的底部平整，冰塞冰坝的厚度为一个定值，进而可以开展相关机理研究。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于水槽的细化。本实施例所述的水槽的水平投影为矩形，一侧壁上设有水深标尺101，如图1、2所示。

本实施例所述的水槽是正方形的，见图2，可以采用砖砌水槽的侧壁，用水泥和防水材料做内衬。

水深标尺用于在注水是方便的读出水的深度，以便在实验过程中获取水深数据。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于桁架的细化。本实施例所述的桁架为井字形桁架，所述的井字形桁架的八个端部202分别设有滑轮203，所述的滑轮搭在导轨101上，如图1、2所示。

通过使不同方向的滑轮着地，可以使井字形桁架能够前后左右的晃动。滑轮可以直接搭在水槽的边缘上，也可以搭在导轨上，导轨设置在水槽的边缘上。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于升降机构的细化。本实施例所述的升降机构是螺杆301和螺母302，如图1所示。

本实施例所述的升降机构采用一根长螺杆，使用上下两个螺母将雷达平板锁定在螺杆上的某个位置，需要变化雷达平台位置时，只需将一个螺母松开，将另一个螺母调节到需要的位置，再将松开的螺母将雷达平板固定即可。这样的升降机构简单有效。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于雷达平台和透水测量桶的细化。本实施例所述的雷达平台和透水测量桶的水平投影为矩形，桶壁由四块孔板602构成，桶底由一块孔板构成，孔板上开孔的直径应小于模型冰平均粒径的0.5倍，如图1、3所示。

本实施例所述的透水测量桶是正方形的，有四块侧板和一块底板（桶底）构成。侧板和桶底都是孔板，具有透水能力。四块侧板可以固定结合，例如胶粘接在一起。为了便于更换不同孔径的孔板，可以采用带有卡槽的支撑梁将四块孔板结合在一起。需要更换孔板时，只需将孔板沿卡槽抽出，在顺卡槽插入新的孔板即可。

如果试验使用的模型冰为同样的粒径，则孔板上开孔的孔径应小于模型冰块的最小外廓尺寸，防止模型冰块漂浮至孔板外；如果是球型模型冰块，孔板的孔径就应小于球的直径。如果是矩形模型冰块，就应当小于长宽高对角线中最小的长度尺寸。如果试验使用的模型冰为不同粒径的混合模型冰，为防止反复震动时冰块的逸出，根据长期的研究数据，孔板上开孔的直径应小于模型冰平均粒径的0.5倍。如果是球型模型冰块，孔板的孔径就应小于球的直径的0.5倍。如果是矩形模型冰块，就应当小于长宽高对角线中最小的长度尺寸的0.5倍。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关透水测量桶的细化。本实施例所述的构成桶壁的四块孔板通过四根竖直的支撑梁603连接，支撑梁上设有距离标尺，图1、3所示。

带卡槽的支撑梁的作用是固定四周的侧板并使得滑动底板可以通过牵引线的作用沿着支撑梁上下滑动，带孔侧板用于在带孔滑动底板上下滑动时排出或进入水体。

支撑梁上的距离标尺是在支撑梁上设置刻线和距离标号，这些刻线距离标号能够显示桶底孔板具体的升降位置，以便记录。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于支撑梁的细化。所述的支撑梁设有沿长方向延并伸能够插入孔板边缘的卡槽6031，如图3。

卡槽是一条长槽，其长度与支撑梁长度相等，其宽度与透水测量桶侧板的厚度相同，侧板的边缘能够插入卡槽。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于桶底孔板的细化。本实施例所述的桶底孔板的边缘设有能够牵引桶底孔板升降的牵引绳8，如图1所示。

由于在实验开始测量之前需要反复的振动调整模型冰块的空隙度，使用绳索收紧的方式调整桶底孔板的位置，最方便快捷，成本最低。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于模型冰块的细化。本实施例所述的模型冰块为聚乙烯块。

聚乙烯的密度接近917kg/m³，十分接近冰的密度，为方便计算体积，可以将模型冰块制作为矩形体或球体。但球体成本较高，而矩形体可以从聚乙烯板材上直接切割获得，成本低廉。

实施例十：

本实施例是使用上述实施例所述装置的实验室冰塞冰坝雷达测量试验方法。

本实施例所述方法的试验理论依据：

雷达测量冰厚和水深的双程走时可用下式计算：

其中H为冰厚或水深，v为电磁波在冰体或水体中的传播速度，d为雷达发射和接收天线间的距离。

电磁波在冰体或水体中的传播速度v与介电常数有关，可用下式计算：

式中c为电磁波在真空中中的传播速度，30>/ns；ε为介电常数。

由上述公式可得，雷达在测量冰厚和水深时的计算公式如：下

因此决定雷达测量精度的主要因素为：

（1）雷达回波图像是否足够清晰以用于获取准确的双程走时t；

（2）冰厚、水深和不同孔隙率条件下的冰塞冰坝的介电常数ε的值。

纯净的冰体或冰体的介电常数是不变的，一般自然界中的冰体和水体或多或少混合有其他杂质，因此自然界中的冰体的介电常数在3~4，水体的介电常数约为78~82。冰塞冰坝测量的难点在于其为冰水混合状态，在冰水交界面上雷达回波图像一般不够清晰，且由于冰体和水体的介电常数差别较大，因此随着空隙率的不同，冰塞冰坝的介电常数会发生变化。本实施例所述方法能够针对上述冰塞冰坝雷达测量中的难点开展系统测试和研究，以提高相应设备的测量精度，并推动相关学科的进一步发展。

本实施例利用透水测量桶改变孔隙率的方式是，将已知固体体积的模型冰块V1以混杂的方式放入透水测量桶中，桶壁、接近水面的雷达平台和桶底将模型冰块围护在一个给定的空间内V2，这个给定的空间即为冰塞冰坝模型，模型冰块的固体体积与冰塞冰坝模型的体积之比V1/V2即为冰塞冰坝模型的孔隙率。

在实际操作中，透水测量桶的侧壁是固定的，而接近水面的雷达平台也是固定的，只需上下移动桶底，即可以达到改变V2的目的。在设计实验方案时通常的方式是，先设定多个孔隙率，再根据孔隙率设定V1、V2的体积，通常称量和计算选定一定数量的模型冰块，再根据V1和孔隙率选定桶底的位置，这个位置即为桶底的目标位置。

实验实际操作时，通常情况下要设定多个孔隙率，以通过雷达测定各种条件下冰塞冰坝的介电常数。

本实施例所述方法的具体步骤如下，如图4所示：

步骤1，制作模型冰块：使用密度与天然冰块近似的聚乙烯制备体型大小不同的多种模型冰块。制备多种模型冰块的目的是模拟多种不同条件下冰塞冰坝的孔隙率。

步骤2，水槽底部设置介质：根据实验方案在水槽底部者铺设卵石、泥沙，或者卵石和泥沙的混合物，如果实验方案无需在槽底铺设任何介质，则跳过本步骤。本步骤根据实验方案在水槽底部不铺设或者铺设卵石、泥沙等介质，以模拟野外真实情况下不同的河床介质条件。

步骤3，设置水深和模型冰块：根据实验需要依据水深标尺在水槽中注水或调整水深，将一种或几种按一定配比混合的模型冰块放入透水测量桶中，拉起牵引绳使桶底达到目标位置附近；模型冰块放入透水测量桶之前，通过称重和密度换算计算当前模型冰块的体积V1。在水槽中注水达到一定深度，主要是模拟不同水深情况的雷达反射状况，以便分析雷达波的在水中和冰塞冰坝中的反射特性。所述的目标位置是指：达到实验所要求V2体积桶底位置。在通常情况中，由于模拟冰块的混杂，往往不能一下子达到目标位置，还要通过在水中的震荡，将混杂的模型冰块顺畅一些，才能真正达到目标位置。

步骤4，安放设备：将桁架、升降机构、雷达平板、透水测量桶、模型冰块放入水槽中。

步骤5，调整模型冰块空隙度：通过导轨将试验平台的前后、左右、上下等三个维度方向的反复震动使得模型冰块在孔板内能够均匀堆积，然后通过牵引绳微调桶底，使漂浮的模型冰块模拟的冰塞冰坝模型的底部均匀，并记录此时冰塞冰坝模型的厚度、测量桶内的总体积V2和冰下水深，并计算当前冰塞冰坝模型的孔隙率V1/V2。本步骤是为了使模型冰块之间的空隙均匀，以研究单一因素变化对雷达检测的影响。V1是模型冰块整齐排列，冰块之间没有任何间隙状态时的体积，而V2是在透水测量桶中，模型冰块处于混杂状态，冰块之间有间隙。在实验实际操作中，事先设定的孔隙率可以根据实验要求有所改变，因此，在实验中可以将桶底精确的达到目标位置，也可以根据实际情况使用桶底将冰塞冰坝模型的底部平整即可，记录桶底的位置，以计算孔隙率V1/V2。

步骤6，雷达测量：将雷达放入雷达平板，通过升降机构调整雷达平板，使雷达平板尽量靠近水面，开启雷达进行测量，并记录测量结果，对比分析雷达测量值与实测值之间的误差，进一步分析雷达回波图像和介电常数的变化特性。使雷达平板尽量靠近水面的目的是增强雷达的回波信号。介电常数可以通过记录水深H，雷达的回波时间t，利用公式计算出模拟冰塞冰坝和冰下水体介电常数ε：

其中：c为电磁波在真空中的传播速度。

步骤7，调整实验条件或结束：或者回到步骤2，使用不同的孔隙率、不同尺寸的冰块和冰下水深开展系统的重复和比较试验，或者结束实验。实验需要通过多组大小不同的模型冰块进行模拟实验，经过对比分析才能得到正确的结论。即便是一样的模型冰块，也要进行多次检测，才能得到精确的结果。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如装置的结构形式、模型冰块的形式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。