一种冰塞冰坝和冰下水体介电常数应急标定装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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，包括：上游水箱和下游回水池，上游水箱和下游回水池之间连接非金属的水槽，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；测量平台包括：与水面平行且能够上下移动的雷达平台，雷达平台正下方设有水平的能够升降的纱网。本发明专利技术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。

An Emergency Calibration Device and Method for Dielectric Constants of Ice-jammed Ice Dam and Subglacial Water

【技术实现步骤摘要】
一种冰塞冰坝和冰下水体介电常数应急标定装置和方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术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。本专利技术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专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的实施例一所述装置的结构示意图；图2是本专利技术的实施例一、八所述的测量平台示意图，是图1中的A-A剖视图；图3是本专利技术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是本专利技术的实施例八、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、控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的下游回水池中还设有泥沙搅拌器。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的透水式档冰板是孔板。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的孔板上的开孔面积占总面积的比例为40%~60%。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的孔板上的孔是方孔或圆孔。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，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。8.根据权利要求1-7之一所述的装置，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：付辉，郭新蕾，王涛，郭永鑫，李甲振，路锦枝，熊麒麟，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11