一种冰塞冰坝和冰下水体介电常数应急标定装置和方法与流程

本发明涉及一种冰塞冰坝和冰下水体介电常数应急标定装置和方法，是一种防灾减灾的应急测试实验装置和方法，是一种以物理仿真的方式模拟将要发生灾害地区的河流上冰塞冰坝以标定介电常数的装置和方法。

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，封冻长度一般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。此外，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。

冰塞冰坝的形成过程非常迅速，且能够在短时间内引起水位的大幅度上升（如2010年黑龙江北红河段冰坝，4小时30分的时间河道水位已上升7.0m以上），进而造成漫堤或溃堤险情，必须采取快速的应对措施。而了解冰塞冰坝的厚度分布和冰下水深的值是科学应对的先决条件，也是提高冰塞冰坝破除效率和缩短破除时间的关键环节。但是由于冰塞冰坝具有多空隙、不规则、结构强度不稳定等特点，使得人工冰面打孔测量的难度很大，甚至有生命危险，且部分大型的冰塞冰坝长度绵延数十公里，厚度超过3m以上，通过人工打孔测量的可能性更是几乎为零。

随着雷达技术的发展，雷达非接触式测量冰塞冰坝的技术日益成熟，可以采用无人机挂载雷达的方式空中测量冰塞冰坝，但其测量精度受冰塞冰坝和冰下水体介电常数的影响很大，如介电常数使用不当会对测量造成很大的误差。如何快速准确的确定可能出现灾情河道上冰塞冰坝的介电常数，成为了一个能够成功抗击灾害的重要课题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种冰塞冰坝和冰下水体介电常数应急标定和装置方法。所述的装置和方法通过在实验室内开展物理仿真条件下的快速应急试验，模拟冰塞冰坝形成的水动力学条件和过程，进而快速标定出冰塞冰坝准确的介电常数，为野外原型河道冰塞冰坝雷达的应急测量提供准确的基础数据。

本发明的目的是这样实现的：一种冰塞冰坝和冰下水体介电常数应急标定装置，包括：能够控制实验水槽流量的上游水箱和能够将水量回馈至上游水箱的下游回水池，所述的上游水箱和下游回水池之间连接非金属的水槽，所述的水槽中依次排列加冰器、至少两个放置雷达的测量平台、透水式档冰板、控制实验水槽水位的尾门；所述的测量平台包括：与水面平行且能够上下移动的雷达平台，所述的雷达平台正下方设有水平的能够升降的纱网。

进一步的，所述的下游回水池中还设有泥沙搅拌器。

进一步的，所述的水槽的底部铺设泥沙或者卵石或者泥沙和卵石的混合体。

进一步的，所述的雷达平台为矩形的平板，所述的平板与向上延伸的升降螺杆固定连接，所述的升降螺杆与通过固定螺母与跨在水槽两侧帮板上的桁架连接，所述平板的四角设有竖直向水下延伸的导轨，所述的导轨上设有沿导轨长方向延伸的卡槽，两根相对的导轨卡槽内嵌入能够沿卡槽上下滑动的滑动控制杆，所述的滑动控制杆与纱网连接。

进一步的，所述的透水式档冰板是孔板。

进一步的，所述的孔板上的开孔面积占总面积的比例为40%~60%。

进一步的，所述的孔板上的孔是方孔或圆孔。

进一步的，所述的方孔的边长或圆孔的直径为所加入冰体平均粒径的0.8倍。

进一步的，所述的导轨的截面形状为圆弧形。

一种使用上述装置的冰塞冰坝和冰下水体介电常数应急标定方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，确定模拟环境：通过历史水文数据，明确出现冰塞冰坝河段的具体情况，包括：河道的水动力学条件、河床情况，水体含沙情况；

步骤2，设置水槽：根据河床情况设置水槽，如为多沙河道则在水槽底部铺设泥沙，并启用泥沙搅拌器以模拟泥沙在水中的输移，如为卵石河床则在水槽底部铺设卵石，以模拟河床形态和阻力特性；

步骤3，布置测量平台：将多组测量平台并置在水槽中；

步骤4，设置水动力条件：根据冰塞冰坝河段当地的水文数据控制水槽中的水位和流量，以模拟河道的水动力学条件；

步骤5，加冰：通过加冰机将真冰由上游加入水槽，模拟冰塞冰坝的形成过程；

步骤6，移动纱网：通过滑动控制杆移动底部纱网，使得冰塞冰坝的底部较为平整，以便冰塞冰坝厚度的测量，并记录水深h；

步骤7，测量：开启测量平台上的雷达，记录雷达的回波时间t；

步骤8，计算：利用公式计算并标定出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。

本发明产生的有益效果是：本发明通过对冰塞冰坝河段的水动力学条件、河床边界条件和上游来冰等条件在实验室中建立模拟流冰实验的快速物理仿真，在两小时内提供相应的冰塞冰坝和冰下水体介电常数等基础数据，供无人机进行现场测量后的冰塞冰坝的厚度计算，用于快速的做出处理冰塞冰坝的决断，以尽量减少冰塞冰坝所造成的灾害损失。本发明不仅为防凌减灾服务，还可推动相关学科的进一步发展。

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所述装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例一、八所述的测量平台示意图，是图1中的a-a剖视图；

图3是本发明的实施例八所述的测量平台示意图，是图2中的b-b剖视图；

图4是本发明的实施例八、九所述的导轨截面形状示意图，是图3中的c点放大图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种冰塞冰坝和冰下水体介电常数应急标定装置，如图1所示。本实施例包括：能够控制实验水槽流量的上游水箱1和能够将水量回馈至上上游水箱的下游回水池2，所述的上游水箱和下游回水池之间连接非金属的水槽3，所述的水槽中依次排列加冰器4、至少两个放置雷达5的测量平台6、透水式档冰板7、控制实验水槽水位的尾门8。所述的测量平台，包括：与水面平行且能够上下移动的雷达平台601，所述的雷达平台正下方设有水平的能够升降的纱网602，如图2所示。

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约在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，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。

本实施例所述装置通过对冰塞冰坝河段的水动力学条件、河床边界条件、泥沙条件和上游来冰条件等的快速物理仿真，以提供相应的冰塞冰坝和冰下水体介电常数等基础数据，不仅为防凌减灾服务，还可推动相关学科的进一步发展。

本实施例主要包括上游水箱、加冰器、水槽、测量平台、挡冰板、尾门、下游回水池，形成自循环系统。

上游水箱通常有一定的高度，是能够提适当势能的水池。

下游回水池还带有向上游水箱供水的循环水管，在循环水管上通常设置水泵、流量计、控制阀门、相关管路等组。水位调节尾门用于调节试验水槽中的水深。控制阀门和流量计用于调节和读取流量。

下游回水池中还可以设置泥沙搅拌器，用于搅拌泥沙，使得泥沙处于悬浮状态，模拟多沙河流（如黄河）中的泥沙随水体的输移过程。

加冰器用于在水槽上游加入真冰冰块，模拟河道中的上游来冰。冰块的大小可根据模拟河段流冰的尺寸按水动力学相似性原理确定，冰体输入的大小通过变频器调节上游加冰机的运行速度控制，对于设置挡冰板的水槽则加冰速度可根据试验的便利程度确定。

透水式挡冰板用于形成冰塞冰坝。透水式挡冰板可以是孔板或者是非金属网等材料。孔板可采用圆孔或方孔，但开孔直径（方孔采用边长参数）应控制所加入冰体平均粒径的0.8倍，以防止大量小粒径冰体向下游的输移。从透水式挡冰板的疏密程度上来说，开孔面积占总面积的比例应控制在40%~60%之间。

水槽的长度一般可以达到20米，截面形状为矩形，具有一定的深度，一般为1米左右。水槽可以采用玻璃、有机玻璃、胶合板等非金属材料制作，以避免干扰雷达的电磁波。水槽的底部根据检测的需要铺设泥沙和鹅卵石。

在透水式档冰板与下游回水池之间的水槽上设置尾门，通过尾门的开合控制水槽中的水位。

测量平台排列在水槽中冰塞冰坝的测量段，用于雷达测量。测量平台与水槽同样宽度，多组并置在水槽中，用于冰塞冰坝和冰下水体介电常数的标定。测量平台采用多组并置是因为冰塞冰坝在模拟过程中的厚度是沿程变化的，通过并置多组测量平台可以在一次试验中针对不同厚度的冰塞冰坝开展多组介电常数标定，进而取得更为合理的取值，极大地节省多组次重复试验所需的时间和费用成本。

雷达可以采用外形为矩形盒子的雷达，雷达的发射和接收天线设置在矩形盒子的底部，因此雷达只要放在接近水面的位置即可。为此可以设置一块能够升降的非金属平板，将雷达放置在平板上。可以设置升降机构，使平板在测量时尽量接近水面，减小测量误差。

为使测量准确，还需平整冰塞冰坝的底部，目的是使雷达电磁波穿过冰塞冰坝的位置能够代表一段冰塞冰坝的平均厚度。为此在雷达的正下方设置一块纱网，在冰塞冰坝形成过程完成后，由水槽底部向冰塞冰坝底部运动，使得冰塞冰坝的底部较为平整以便于开展测量。沙网的厚度在0.2mm以下，放置在水槽底部不会对冰塞冰坝的形成过程造成影响。纱网采用非金属材料，也不会对雷达电磁波产生任何影响。

测量平台有两个升降器，一个升降器用于升降雷达平台，以便使雷达能够尽可能的接近水面，另一个升降器用于升降纱网。这两个升降器可以分别设置，也可以结合在一起。例如将纱网的升降器固定在雷达平台下方，纱网的升降不会干扰雷达平台的升降。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于下游回水池的细化。本实施例所述的下游回水池中还设有泥沙搅拌器201，如图1所示。

搅拌器使带有泥沙的水体进入下游回水池后，泥沙不会沉降，使水流携带泥沙回到上游水箱中，形成泥沙的整体循环。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水槽的细化。本实施例所述的水槽的底部铺设泥沙或者卵石或者泥沙和卵石的混合体。

泥沙和鹅卵石的大小和配比则根据实验的需要而确定。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于透水式档冰板的细化。本实施例所述的透水式档冰板是孔板。

孔板的优势在于孔洞的大小通过加工可以很方便的控制。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于孔板的细化。本实施例所述的孔板上的开孔面积占总面积的比例为40%~60%。

孔板上的孔太小则阻力太大影响流量和水位的控制，太大则结构强度较差，易于弯曲变形或折断，影响实验的正常开展。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于孔板的细化。本实施例所述的孔板上的孔是方孔或圆孔。

方孔或圆孔的选择主要依据加工的便利性。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于孔板上的孔的细化。本实施例所述的方孔的边长或圆孔的直径为所加入冰体平均粒径的0.8倍。

冰粒的大小在注入加冰机之间需要进行筛选，不能太小或过大，因此，冰粒大小能够很好的控制，因此孔板上的孔的大小也就能够很好的控制冰塞冰坝的形成过程，因此，孔的大小也是一个实验的关键，需要精心计算。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于测量平台的细化。本实施例所述的雷达平台为矩形的平板，所述的平板与向上延伸的升降螺杆603固定连接，所述的升降螺杆与通过固定螺母604与跨在水槽两侧帮板上的桁架605连接，所述平板的四角设有竖直向水下延伸的导轨606，所述的导轨上设有沿导轨长方向延伸的卡槽6061（见图4），两根相对的导轨卡槽内嵌入能够沿卡槽上下滑动的滑动控制杆607，所述的滑动控制杆与纱网连接，如图2、3、4所示。

整个测量平台由导轨（支撑梁）、位于侧面的滑动控制杆、纱网、升降螺杆和固定螺母等组成。带卡槽的导轨的作用使得滑动控制杆可以沿着导轨上下滑动，同时加强整个测量平台的结构强度，导轨截面可以采用流线型或圆弧形设计。滑动控制杆用于控制底部纱网的上下运动，在冰塞冰坝形成过程完成后，在滑动控制杆的牵引下由水槽底部向冰塞冰坝底部运动，使得水槽中冰塞冰坝的底部较为平整以便于开展相关标定；升降螺杆和固定螺母用于固定试验装置和承载雷达，由于需要模拟不同的冰下水位，因此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。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于导轨的细化。本实施例所述的导轨的截面形状为圆弧形，如图4所示。

采用圆弧形的目的是以尽量减小其对冰块流动的阻力，以准确地模拟天然河道中的实际情况。虽然流线型也可以达到同样的目的，但制造成本较高。

实施例十：

本实施例是一种使用上述装置的冰塞冰坝和冰下水体介电常数应急标定方法。

本实施例所述方法通过在实验室内真冰条件下模拟泥沙河床、卵石河床、无沙水体和含沙水体河道的水动力学条件、边界条件和和上游来冰条件等，实现实验室对野外原型河流的物流仿真，进而快速、高效测定冰塞冰坝和冰下水体的介电常数，为相关凌汛的应急处置提高核心数据。

在试验室中测量并的介电常数能够应用在野外原型河流实际的理论依据是：

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，这里h可代表冰厚也可代表水深，或者是冰层厚度加上水深，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为电磁波在真空中的传播速度，30cm/ns；ε为介电常数。

因此雷达在测量冰厚或水深时的计算公式如下：

雷达波的双程走时t主要和雷达本身的性能有关，与冰塞冰坝的特性无关，因此雷达现场原型测量最为需求的参数为冰塞冰坝和冰下水体的介电常数ε的值。同时从上述公式中可以看出：ε为介电常数仅与冰厚与水深h、电磁波在真空中的传播速度c、雷达波的双程走时t、雷达发射和接收天线间的距离d有关，只要在实验室内根据水力学相似性原理准确的模拟出现场冰塞冰坝的相对厚度和水深，就可以准确的获得介电常数，并使用这个介电常数应用在测量实际冰塞冰坝厚度上。

所述方法的具体步骤如下：

步骤1，确定模拟环境：通过历史水文数据，明确出现冰塞冰坝河段的具体情况，包括：河道的水动力学条件、河床情况，水体含沙情况。发现险情后应当立即收集险情地区的水文资料，特别是水动力条件，包括水位、水流流速、流量等，以获得冰塞冰坝形成的相关水动力学条件。河床情况主要是河底是泥沙还是鹅卵石，以获得雷达波的反射条件和流动阻力条件。水体含沙情况对冰塞冰坝的介质电常数以及雷达波的反射均有关系。

步骤2，设置水槽：根据河床情况设置水槽，如为多沙河道则在水槽底部铺设泥沙，并启用泥沙搅拌器以模拟泥沙在水中的输移，如为卵石河床则在水槽底部铺设卵石，以模拟河床形态和阻力特性。根据实际河流的各种条件和情况，按水力学相似性原理中的重力相似准则对实验水槽和各水力学参数进行缩放配置，

其时间比尺为：tr=(lr)^1/2，式中lr为天然河道过水断面宽度与水槽宽度的比值。

流速比尺为：vr=(lr)^1/2；

流量比尺为：qr=(lr)^5/2；

糙率比尺为：nr=(lr)^1/6。

步骤3，布置测量平台：将多组测量平台并置在水槽中。测量平台可以设置多个，雷达可以用一两个。

步骤4，设置水动力条件：根据冰塞冰坝河段当地的水文数据控制水槽中的水位和流量，以模拟河道的水动力学条件。流量和流速较大时，容易在透水挡板前形成较厚的冰塞冰坝，反之则较薄，根据这一特点，必须严格控制流量和流速，以尽量真实的模拟河流的状态。

步骤5，加冰：通过加冰机将真冰由上游加入水槽，模拟冰塞冰坝的形成过程。加冰的速度必须严格控制，以正确的模拟冰塞冰坝的形成。

步骤6，移动纱网：通过滑动控制杆移动底部纱网，使得冰塞冰坝的底部较为平整，以便冰塞冰坝厚度的测量，并记录水深h。当冰塞冰坝形凝结到一定程度时，观察其底部不再增加厚度，就可以将纱网升起。这时的水深h实际包括了冰塞冰坝的厚度。

步骤7，测量：开启测量平台上的雷达，记录雷达的回波时间t。

步骤8，计算：利用公式计算并标定出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。

上述公式中实际忽略了d为雷达发射和接收天线间的距离，由于通常情况下，雷达的发射设置在接收天线的中心，因此，距离d可以忽略。

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（比如测量平台的形式、雷达的形式、各种公式的运用、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。