[发明专利]一种实验室冰塞冰坝雷达测量试验装置和方法

说明书

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。

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。