CN105044384A - 一种环境流量确定系统中河道流速的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种环境流量确定系统中河道流速的测量装置，包括一第一固定杆、一第二固定杆、一固定绳、一滑轮、一传输绳滚筒、一传输绳、一电机和一重块，还包括一发热电阻丝、一温度传感器板和一统计单元，所述发热电阻丝和所述温度传感器板固定在所述传输绳上，河水流过所述发热电阻丝后经过所述温度传感器板，所述电源通过电所述传输绳与所述发热电阻丝连接，所述发热电阻丝温度恒定，所述温度传感器板通过所述传输绳与所述统计单元连接，所述统计单元接收所述温度传感器板发出的水温信号和时间间隔信号，发出河道流速信号。本发明提供的测量装置，采用螺旋式电热阻丝，水流方向位于所述电热阻丝的轴线上，对水流流速的影响较小，减小了测量误差。

Description

一种环境流量确定系统中河道流速的测量装置

技术领域

本发明涉及水流流速测量装置，特别是一种环境流量确定系统中河道流速的测量装置。

背景技术

研究表明，水文过程是水流地貌过程的主要驱动力，对河道地貌起着重要的控制作用。河道地貌过程是水流生境结构的主要控制因素，地貌过程如泥沙沉积、河岸侵蚀等有着重要的生态学意义。河道地貌过程也影响着人们对水流及沿岸的开发利用，如修桥、通航、挖沙、洪水控制等。水流水文过程与地貌过程、生态过程具有密切的交互作用，因此在环境流量研究中考虑水流地貌过程的需水要求具有重要意义。

统计水流地貌过程的需水要求，其中准确的对水流流速进行确定非常重要。现有技术中，通常采用流速计直接安装在河道底部测量流速的方式，很容易导致流速传感器被淤泥堵塞，影响流速测量精度。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种环境流量确定系统中河道流速的测量装置，用以解决上述缺陷。

本发明提供了一种环境流量确定系统中河道流速的测量装置，包括一第一固定杆、一第二固定杆、一固定绳、一滑轮、一传输绳滚筒、一传输绳、一电机以及一重块，所述第一固定杆和所述第二固定杆分别固定位于河道两侧，所述固定绳的两端分别固定在所述第一固定杆和所述第二固定杆上，所述滑轮位于所述固定绳上，所述传输绳穿过所述滑轮，一端与所述重块连接垂直深入河道内，一端固定在所述传输绳滚筒上，所述电机带动所述传输绳滚筒滚动，还包括一发热电阻丝、一温度传感器板和一统计单元，所述发热电阻丝和所述温度传感器板固定在所述传输绳上，河水流过所述发热电阻丝后经过所述温度传感器板，一电源通过所述传输绳与所述发热电阻丝连接，所述发热电阻丝温度恒定，所述温度传感器板通过所述传输绳与所述统计单元连接，所述统计单元接收所述温度传感器板发出的水温信号和时间间隔信号，发出河道流速信号。

较佳的，所述统计单元包括一数据采集子单元、一水温变化计算子单元、一采样点流速计算子单元和一河道流速计算子单元，所述数据采集子单元采集所述水温信号以及所述时间间隔信号；所述水温变化计算子单元接收所述水温信号，计算出水温增加信号；所述采样点流速计算子单元接收所述水温增加信号以及所述时间间隔信号，计算出不同时间点处的水流流速信号；所述河道流速计算子单元接收所述水流流速信号，计算出河道流速信号；所述水温增加信号的计算公式为：

${\mathrm{\ΔT}}_{i,j}=\frac{\underset{z=1}{\overset{n_1}{\Σ}}(R_z^2-R_{z-1}^2)(T_z-T_0)}{\underset{z=1}{\overset{n_1}{\Σ}}(R_z^2-R_{z-1}^2)}$

式中，ΔT_i,j为在一定时间内水流流过所述发热电阻丝的水流的温度增加值，取所述温度传感器板中测量值最高的点为中心点，离所述中心点距离最近且测量值等于河道当前水温的点为最外点，所述中心点到所述最外点之间共有n₁个不同温度值，z为所述温度值的序号，T₀为中心点的温度值，T_z为第z个温度值处所述温度传感器板测量到的温度值，i为不同深度的序号，j为同一深度下不同时间点的序号，R_z为序号为z的点到所述中心点的距离。

较佳的，所述采样点流速计算子单元计算所述水流流速信号的公式为：

$V_{i,j}=c_0{\mathrm{\ρ}}_0\frac{W_{i,j}}{{\mathrm{\αS\Δt\ΔT}}_{i,j}}$

其中，Δt为同一深度下进行多次测量的周期，c₀为水的比热容，ρ₀为水的密度，S为所述电热阻丝的表面积，α为S的修正系数，W_i,j为在Δt内电源对所述电热阻丝的做功大小，i为不同深度的序号，j为同一深度下不同时间点的序号，V_i,j为第i个深度下第j个时间点处的水流流速。

较佳的，所述河道流速计算子单元计算所述河道流速信号的公式为：

$V_S=\frac{\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}f(i,j)V_{i,j}}{\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}f(i,j)}$

其中以m个深度为采样点进行统计，且每个采样点处以周期Δt进行多次测量，共测量n次，V_S为所述河道流速，i为不同深度的序号，j为同一深度下不同时间点的序号，V_i,j为第i个深度下第j个时间点处的水流流速，f(i,j)是所述水流流速V_i,j的修正系数，V_i,j波动越小，所述修正系数越大，其计算公式为：

$f(i,j)=\left\{\begin{array}{c}1,V_{i,j}=V_a\\ \frac{1}{1+|V_{i,j}-V_a|}\end{array}\right.,V_{i,j}\≠V_a$

其中，

V_a＝min(|V_i,j-σ|)

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{mn}\underset{j-0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i-0}{\overset{n}{\Σ}}(V_{i,j}^2-\stackrel{\‾}{V^2})}$

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{V}_{i,j}}{mn}$

在上式中，V_a为V_i,j中波动最小的数值，σ为河道流速的波动系数，为m个深度且每个深度下n个时间点处的所有所述水流流速的平均值。

较佳的，所述温度传感器板呈平板结构，其表面安装有平行排列的N*N个温度传感器，其中N为不小于1的整数。

较佳的，所述温度传感器等间距排列在所述温度传感器板上。

较佳的，所述发热电阻丝呈螺旋状，所述发热电阻丝轴线方向和水流方向相同。

较佳的，所述发热电阻丝的轴线与所述温度传感器板所在平面呈垂直关系。

较佳的，所述重块为一铁块。

较佳的，所述传输绳包括一钢丝绳、一电源线以及一传输线，所述钢丝绳与所述重块连接，所述电源线一端与所述电源相接，另一端与所述发热电阻丝相接，所述传输线一端与所述温度传感器板相接，另一端与所述统计单元相接。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：采用螺旋式电热阻丝，水流方向与所述电热阻丝的轴线方向相同，对水流流速的影响较小，减小了测量误差；采用温度传感器板能够增大水流温度的测量面积，从而使得对水温变化的计算更加精确；对多个采样点进行测量，减小测量误差。

附图说明

图1为本发明一种环境流量确定系统中河道流速的测量装置的结构简图；

图2为本发明一种环境流量确定系统中河道流速的测量装置中统计单元的功能框图；

图3为一种环境流量确定系统的功能框图；

图4为一种环境流量确定系统中太子河中本溪断面形态图；

图5A为一种环境流量确定系统中太子河中本溪断面水位-流量关系曲线图；

图5B为一种环境流量确定系统中太子河中本溪断面水位-平均流速曲线图；

图5C为一种环境流量确定系统中太子河中本溪断面水位-湿周关系曲线图；

图6为一种环境流量确定系统中太子河中小林子断面形态图；

图7A为一种环境流量确定系统中太子河中小林子河段断面水位-流量关系曲线图；

图7B为一种环境流量确定系统中太子河中小林子河段断面水位-平均流速曲线图；

图7C为一种环境流量确定系统中太子河中小林子河段断面水位-湿周关系曲线图；

图8为一种环境流量确定系统中太子河中辽阳断面形态图；

图9A为一种环境流量确定系统中太子河中辽阳河段断面水位-流量关系曲线图；

图9B为一种环境流量确定系统中太子河中辽阳河段断面水位-平均流速曲线图；

图9C为一种环境流量确定系统中太子河中辽阳河段断面水位-湿周关系曲线图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员对发明的技术方案和有益效果进行理解，特结合附图对具体实施方式进行如下描述。

如图1所示，河道流速的检测装置包括：

一第一固定杆1、一第二固定杆2、一固定绳3、一滑轮4、一传输绳滚筒5、一传输绳6、一重块7、一电热阻丝8、一温度传感板9、一电机10、一电源11以及一统计单元12。所述第一固定杆1和所述第二固定杆2分别置于河岸两侧并固定，所述固定绳3两端分别于所述第一固定杆1和所述第二固定杆2顶端固定相接，所述滑轮4位于所述固定绳3上，并能够在所述固定绳3上滑动。所述传输绳6穿过所述滑轮4，一端深入水流，一端与所述传输绳滚筒5固定连接。所述传输绳滚筒5的滚动，能够改变传输绳6深入河道的长度。所述重块7位于所述传输绳6深入河道的一端，所述重块7的密度大于河水密度，且质量较大，能够带动所述传输绳6深入河道内。所述重块7可以为一铁块。所述发热电阻丝8与所述传输绳6固定连接，所述电源11向所述发热电阻丝8供电，并保持所述发热电阻丝8的温度恒定。所述温度传感器板9呈平板结构，垂直位于河道中，上面安装有平行排列的N*N个温度传感器，所述温度传感器等距离排列。所述电热阻丝8呈螺旋结构，其轴线方向与水流方向一致。所述温度传感器板9所在平面与水流方向垂直。所述统计单元12，接收所述传感器发出的水温信号和时间间隔信号，发出水流流速信号，对所述温度信号和所述时间间隔信号进行处理后，获取最终河道流速。所述传输绳6包括：一钢丝绳、一电源线以及一传输线，所述钢丝绳与所述重块7连接，所述电源线一端与所述电源11相接，另一端与所述发热电阻丝8相接，所述传输线一端与所述温度传感器板9相接，另一端与所述统计单元12相接。

工作时，所述电源11将所述电热阻丝8加热到一定温度后，利用所述传输绳6将所述电热阻丝8和所述温度传感器板9深入河道内，所述电热阻丝8保持恒定温度，针对同一深度处的采样点，所述温度传感器板9对不同时间点处对水温进行测量并取值，发出温度信号和时间间隔信号，最后将该温度信号和所述时间间隔信号送入所述统计单元12，进行处理，获取最终河道流速。

如图2所示，所述统计单元12包括：一数据采集子单元110、一水温变化计算子单元111、一采样点流速计算子单元112、一河道流速计算子单元113。所述数据采集子单元110接收所述温度传感器板9发出的水温信号以及时间间隔信号；所述水温变化计算子单元111接收所述数据采集子单元110的水温信号，对所述水温信号进行处理，获取水温增加信号；所述采样点流速计算子单元112接收所述水温增加信号以及所述时间间隔信号并进行处理，计算出不同时间点处的水流流速信号；所述河道流速计算子单元113接收所述水流流速信号并进行处理，获取河道流速信号。

测量时，为了保证测量结果的准确性，需要对不同深处的河道流速进行测量，且同一深度处需要测量多个时间点。假设对m个深度进行测量，且每个深度处选取n个时间点进行测量，且每个时间点间的固定时间间隔为Δt。ΔT_i,j为在时间间隔Δt内流过所述电热阻丝8的水流的温度增加值，所述水温变化计算子单元111对ΔT_i,j的计算公式为：

${\mathrm{\ΔT}}_{i,j}=\frac{\underset{z=1}{\overset{n_1}{\Σ}}(R_z^2-R_{z-1}^2)(T_z-T_0)}{\underset{z=1}{\overset{n_1}{\Σ}}(R_z^2-R_{z-1}^2)}$

ΔT_i,j为在一定时间内水流流过所述发热电阻丝的水流的温度增加值，取所述温度传感器板中测量值最高的点为中心点，离所述中心点距离最近且测量值等于河道当前水温的点为最外点，所述中心点到所述最外点之间共有n₁个不同温度值，z为所述温度值的序号，T₀为中心点的温度值，T_z为第z个温度值处所述温度传感器板测量到的温度值，i为不同深度的序号，j为同一深度下不同时间点的序号，R_z为序号为z的点到所述中心点的距离。

流经所述热电阻丝8后的水流将流经所述温度传感器板9，所述温度传感器板9对一定范围内的水温进行测量。由于流经所述电热阻丝8后的水流，会在有一定范围内的扩散，所以利用所述温度传感器板9对周围温度进行统计，最终计算所有温度有升高的水流的平均温度，才是流经电热阻丝8的水流的温度增加量。在固定时间点时，返回温度传感器测量的温度数据，取温度最高点为中心点，温度等于河道当前水温的点为最外点，所述中心点到所述最外点之间共有n₁个不同温度值，每个温度值所处点到所述中心点的距离为温度传感器板9的采用，对扩散在周围的加热后的水流温度也进行了统计，该方法提高了对温度增加量计算的准确度。

由于相同时间内水流增加的热量值等于所述电源11在该时间内对所述电热阻丝8所做的功，则所述采样点流速计算子单元112对某个深度的某个时间点处测得的所述河道流速为：

$V_{i,j}=c_0{\mathrm{\ρ}}_0\frac{W_{i,j}}{{\mathrm{\αS\Δt\ΔT}}_{i,j}}$

其中，Δt为同一深度下进行多次测量的周期，c₀为水的比热容，ρ₀为水的密度，S为所述电热阻丝的表面积，α为S的修正系数，W_i,j为在Δt内电源对所述电热阻丝的做功大小，i为不同深度的序号，j为同一深度下不同时间点的序号，V_i,j为第i个深度下第j个时间点处的水流流速。

所述河道流速计算子单元113先要计算m个深度且每个深度处n个时间点处的所有河道流速的平均值：

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{V}_{i,j}}{mn}$

利用m×n个V_i,j，即所有测量结果计算水流的流速，由于水流的不稳定性，所以需要对每个V_i,j进行修正后再取其平均，获取最终河道的流速：

$V_S=\frac{\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}f(i,j)V_{i,j}}{\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}f(i,j)}$

其中以m个深度为采样点进行统计，且每个采样点处以周期Δt进行多次测量，共测量n次，V_S为所述河道流速，i为不同深度的序号，j为同一深度下不同时间点的序号，V_i,j为第i个深度下第j个时间点处的水流流速，f(i,j)是所述水流流速V_i,j的修正系数，V_i,j波动越小，所述修正系数越大，其计算公式为：

$f(i,j)=\left\{\begin{array}{c}1,V_{i,j}=V_a\\ \frac{1}{1+|V_{i,j}-V_a|}\end{array}\right.,V_{i,j}\≠V_a$

其中，

V_a＝min(|V_i,j-σ|)

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{mn}\underset{j-0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i-0}{\overset{n}{\Σ}}(V_{i,j}^2-\stackrel{\‾}{V^2})}$

在上式中，V_a为V_i,j中波动最小的数值，σ为河道流速的波动系数。由于河道流速不稳定，所以需要对多个采样点的多个时间段进行统计，所以需要对测得的所有结果进行处理，获取更精确的结果。对于波动越大的数据，受到外界因素影响的可能性越大，相对于实际河道流速的误差也越大，所以修正系数f(i,j)能够降低波动较大的数据对最终结果的影响。

如图3所示，所述的面向河道地貌保护的环境流量确定系统，包括如下几个模块：

一选择模块20，针对代表性水流，并将代表性水流划分为不同河段，利用所述选择模块20，在每个河段上分别选择一点，将该点以及该点对应的控制断面作为所述代表性水流的代表性点位；

一检测模块21，对所述选择模块20中选定的代表性点位进行检测，判断河道地貌类型、流量组分以及该点位的起点距和高程，发出河道地貌保护目标信号、起点距信号、高程信号以及流速信号。所述检测模块21中包括所述流速检测装置，用于获取水流流速信号。

一模型分析模块22，用于接收所述检测模块21发出的河道地貌保护目标信号，通过流量组分与地貌保护的需水要求关系模型，判断所述点位处不同地貌保护目标下的标准需水量，发出标准需水量信号。

一系统分析模块23，用于接收所述检测模块21发出的起点距信号、高程信号以及流速信号，绘制河道横断面图，根据所述河道横断面图判定所述点位的水位深度，再通过断面水力学关系，判断所述点位处的实际水流量，发出所述实际水流量信号；

一处理模块24，所述处理模块24同时接收所述模型分析模块22发出的所述不同地貌保护目标下的标准需水量信号以及所述系统分析模块23发出的所述实际水流量信号，计算所述河道同一月份不同地貌保护目标下的给水量信号，并统计月平均给水量信号。

在所述检测模块21中，在分析了河道地貌特征类型对河道地貌类型进行判断，不同的河道地貌类型对应的河道地貌保护目标不同，所述河道地貌类型分为A1-A7七类，分别是：A1，维持适宜的地下水位坡降，以保持河床的稳定性；A2，在粗颗粒河床质类型的河流中，从砂砾和卵石基质中移除细小沉积物以提供产卵、育幼保护和大型底栖动物食物生产的生境；A3，通过较强的水流携走扩张至河槽内大型水生植物，防止大型水生植物侵占河槽而导致河槽容量的减少，以保持河槽的贯通性；A4，在粗颗粒河床质类型的河流中，冲刷河床表面的粗颗粒沉积物，移除依附在粗颗粒上的细小沉积物，为水生生物创造具有松散结构的活动空间；A5，在具有粗质河床和大片树林的河流中，通过河岸侵蚀以维持河流地貌的多样性和为河流提供大量的粗颗粒沉积物和枯枝残木；A6，在具有深潭-浅滩序列的河流中，冲刷深潭中泥沙，以维持深潭-浅滩型河道形态；A7，维持流域尺度的河流地貌特征：如河道类型(如直线型、蜿蜒型、辫状型、交织型)，河流总体规模，河漫滩(如湿地)特征。

在所述模型分析模块22中，不同的地貌类型对应不同的流量组分，即不同的河道地貌保护目标所需的流量组分不同。针对保护目的A1，即使得河道里的流水维持适宜的地下水位坡降，采用的流量组分为基流，对应的水利学标准B1为：

WP≥WP_80％

其中，WP表示标准湿周，WP_80％表示湿周最大容许较少20％，即对于A1，地下水位坡降的流量大小应该满足湿周最大20％容许减少率法则，此时河道标准需水量为Q_a1。

针对保护目的A2，即移除河床表面细小沉积物，采用的流量组分为枯水脉冲，对应的水力学标准B2为：

其中，V是断面平均流速，d₅₀中值粒径，单位为毫米，V_b表示移除沉积物的临界速度，所述沉积物的粒径大于1毫米。当V_a＞V_b时，河床质能够得到较好的冲刷，此时河道标准需水量为Q_a2。中值粒径指的是一个碎屑岩(特别是砂岩)样品中粒度分布趋势，取自于粒度累积百分比曲线上50％处对应的粒径。

针对保护目的A3，采用的流量组分分为两类：枯水脉冲和丰水脉冲，保护目的是防止河槽内水生植物扩张，植被的扩张对增加河道内沉积物的数量，从而减少其它类型生境的可用性，这两种方式对应的水力学标准B3均为：

V_c*H≥0.52

其中，WP≥WP_80％,V_c≥1m/s，V_c表示水流的流速，H表示水深。在枯水脉冲和丰水脉冲下，河道标准需水量分别为Q_a3、Q_a4。

针对保护目的A4、A5和A6，采用的流量组分均为平摊流，对应的水力学标准B4为：当河床为粗砂质时，Q_n≥80％*Q_1.5；当河床为沙质时，Q_n≥60％*Q_1.5。其中Q_1.5表示河道1.5年所遇洪水的总流量。此时三种保护目标下的河道标准需水量均为Q_a5。

针对保护目的A7，采用的流量组分为漫滩流，需要自然流泾条件下的重现期为10～25年的大洪水。

所述系统分析模块23，包括一建模单元、一计算单元。所述建模单元建立起点距-高程模型以及流量-水位标定曲线。所述计算单元接收所述检测模块21发出的流速信号，任一水位所对应的湿周可以从河道横断面图中计算获得，通过所述平均流速和所述湿周，计算河道的实际水流量，并发出所述实际水流量信号。

所述处理模块24，接收所述模型分析模块22发出的不同地貌保护目标下河道标准需水量信号有Q_a1、Q_a2、Q_a3、Q_a4以及Q_a5这五种。由于对河道实际水流量的检测是在某一时间段内的，所以对应的Q_a1、Q_a2、Q_a3、Q_a4以及Q_a5均是在某一时间段内测量获得的，且相应的不同地貌保护目标下的河道需水量阈值分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄和θ₅。基于此，令不同地貌保护目标下每个月的平均河道需水量相应的用以及表示。以为例，统计某月内每一天的河道标准需水量信号Q_a1，取与所述河道需水量阈值θ₁最接近的两个值，并对这两个值取平均，即为该月内对于A1这种情况下所需的平均需水量信号。以及均用相同方式获得。

在选择模块20中，针对太子河而言，太子河上游森林茂密、植被覆盖良好，无大型水利工程；中游穿过本溪市、辽阳市2座大型城市，且观音阁水库、葠窝水库和汤河水库3座大型水库均在此区域；下游为洪泛平原，沿河农业灌溉取水口较多。

基于太子河上述水文学、地貌学等要素的考虑，将太子河划分为上游、中游、下游3个河段进行研究。点位的选择既要考虑对所在河段的代表性、又要考虑水文、地貌等数据的可获取性，因此分别选择本溪水文站、辽阳水文站、小林子水文站及其控制断面作为太子河上游、中游、下游的代表性点位。

通过分析河道地貌过程与河流水文过程的相关性，建立太子河流量组分与地貌过程需水要求关系模型，如下表所示。其中，河道地貌保护目标是依据重要地貌过程的保护要求确定，水力学标准的设定是依据上述分析得出，是计算流量大小的依据，其它水文参数如频率、历时、发生时间等也在下表中给出。

表1太子河面向地貌保护目标的流量组分、水力标准等参数

根据本溪水文站、辽阳水文站、小林子水文站1985～2007年的流量-水位实测数据，分析了太子河3个水文站的水位与流量呈现显著的正相关性。然后根据各个水文站2007年的河道形态观测数据绘制河道断面形态图，结合水位-流量关系曲线，确定各个典型断面的流量和其他水力学参数之间的相关关系。

对于本溪河段，图4给出了本溪河段断面形态图，图5A表示本溪断面水位-流量关系曲线图，图5B表示本溪断面水位-平均流速曲线图，图5C表示本溪断面水位-湿周关系曲线图；对于小林子河段，图6给出了小林子河段断面形态图，图7A表示小林子河段断面水位-流量关系曲线图，图7B表示小林子河段断面水位-平均流速曲线图，图7C表示小林子河段断面水位-湿周关系曲线图；对于辽阳河段，图8给出了辽阳河段断面形态图，图9A表示辽阳河段断面水位-流量关系曲线图，图9B表示辽阳河段断面水位-平均流速曲线图，图9C表示辽阳河段断面水位-湿周关系曲线图。

结合太子河流量组分与地貌过程需水要求关系模型、典型河道断面图及其河流水力学参数与流量的关系曲线，就可以计算每种河道地貌保护目标所需的流量大小。同一时间可能存在不同的河道地貌保护目标，依据下限阈值取最大值、上限阈值取最小值原则确定所需的环境流量组分，尽量同时满足不同保护目标的需水要求。基于河道地貌保护目标的太子河各河段环境流量最终推荐结果由3种关键流量组分构成(表2～表4)。其中，基流逐月给出，要求日均流量不少于所在月份的给定阈值。脉冲流依据河道地貌过程需水要求，结合太子河自然水文情势，按丰、枯水期给出。太子河平滩流和漫滩流通常发生丰水季节的7～11月份，考虑到太子河河道上的堤防、堰坝等水利工程，以及洪泛平原上的土地集约利用，故没有推荐漫滩流量。

表2本溪河段面向地貌保护目标的环境流量组分、流量大小、年均频率和持续时间

注：表流中流量的单位为m3/s；频率的单位为次每年，如1/a为每年1次；历时的单位为天，如1d为1天。

表3辽阳河段面向地貌保护目标的环境流量组分、流量大小、年均频率和持续时间

注：表流中流量的单位为m³/s；频率的单位为次每年，如1/a为每年1次；历时的单位为天，如1d为1天。

表4小林子河段面向地貌保护目标的环境流量组分、流量大小、年均频率和持续时间

注：表流中流量的单位为m³/s；频率的单位为次每年，如1/a为每年1次；历时的单位为天，如1d为1天。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种环境流量确定系统中河道流速的测量装置，包括一第一固定杆、一第二固定杆、一固定绳、一滑轮、一传输绳滚筒、一传输绳、一电机以及一重块，其中，所述第一固定杆和所述第二固定杆分别固定于河道两侧，所述固定绳的两端分别固定在所述第一固定杆和所述第二固定杆上，所述滑轮位于所述固定绳上，所述传输绳穿过所述滑轮，一端与所述重块连接垂直深入河道内，一端固定在所述传输绳滚筒上，所述电机带动所述传输绳滚筒滚动，其特征在于，还包括一发热电阻丝、一温度传感器板和一统计单元，所述发热电阻丝和所述温度传感器板固定在所述传输绳上，河水流过所述发热电阻丝后经过所述温度传感器板，一电源通过所述传输绳与所述发热电阻丝连接，所述发热电阻丝温度恒定，所述温度传感器板通过所述传输绳与所述统计单元连接，所述统计单元接收所述温度传感器板发出的水温信号和时间间隔信号，发出河道流速信号。

2.根据权利要求1所述的环境流量确定系统中河道流速的测量装置，其特征在于，所述统计单元包括一数据采集子单元、一水温变化计算子单元、一采样点流速计算子单元和一河道流速计算子单元，所述数据采集子单元采集所述水温信号以及所述时间间隔信号；所述水温变化计算子单元接收所述水温信号，计算出水温增加信号；所述采样点流速计算子单元接收所述水温增加信号以及所述时间间隔信号，计算出不同时间点处的水流流速信号；所述河道流速计算子单元接收所述水流流速信号，计算出河道流速信号；所述水温增加信号的计算公式为：

${\mathrm{\ΔT}}_{i,j}=\frac{\underset{z=1}{\overset{n_1}{\Σ}}(R_z^2-R_{z-1}^2)(T_z-T_0)}{\underset{z=1}{\overset{n_1}{\Σ}}(R_z^2-R_{z-1}^2)}$

式中，ΔT_i,j为在一定时间内水流流过所述发热电阻丝的水流的温度增加值，取所述温度传感器板中测量值最高的点为中心点，离所述中心点距离最近且测量值等于河道当前水温的点为最外点，所述中心点到所述最外点之间共有n₁个不同温度值，z为所述温度值的序号，T₀为中心点的温度值，T_z为第z个温度值处所述温度传感器板测量到的温度值，i为不同深度的序号，j为同一深度下不同时间点的序号，R_z为序号为z的点到所述中心点的距离。

3.根据权利要求2所述的环境流量确定系统中河道流速的测量装置，其特征在于，所述采样点流速计算子单元计算所述水流流速信号的公式为：

$V_{i,j}=c_0{\mathrm{\ρ}}_0\frac{W_{i,j}}{{\mathrm{\αS\Δt\ΔT}}_{i,j}}$

其中，Δt为同一深度下进行多次测量的周期，c₀为水的比热容，ρ₀为水的密度，S为所述电热阻丝的表面积，α为S的修正系数，W_i,j为在Δt内电源对所述电热阻丝的做功大小，i为不同深度的序号，j为同一深度下不同时间点的序号，V_i,j为第i个深度下第j个时间点处的水流流速。

4.根据权利要求3所述的环境流量确定系统中河道流速的测量装置，其特征在于，所述河道流速计算子单元计算所述河道流速信号的公式为：

$V_S=\frac{\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}f(i,j)V_{i,j}}{\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}f(i,j)}$

其中，f(i,j)由下述各式确定：

$f(i,j)=\{\begin{array}{c}1,V_{i,j}=V_a\\ \frac{1}{1+|V_{i,j}-V_a|}\end{array},V_{i,j}\≠V_a$

V_a＝min(|V_i,j-σ|)

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{mn}\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(V_{i,j}^2-\stackrel{\‾}{V^2})}$

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{\underset{j=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{V}_{i,j}}{mn}$

上述各式中，以m个深度为采样点进行统计，且每个采样点处以周期Δt进行n次测量，V_S为所述河道流速，i为不同深度的序号，j为同一深度下不同时间点的序号，V_i,j为第i个深度下第j个时间点处的水流流速，f(i,j)是所述水流流速V_i,j的修正系数，V_i,j波动越小，所述修正系数越大，V_a为V_i,j中波动最小的数值，σ为河道流速的波动系数，为m个深度且每个深度下n个时间点处的所有所述水流流速的平均值。

5.根据权利要求4所述的环境流量确定系统中河道流速的测量装置，其特征在于，所述温度传感器板呈平板结构，其表面安装有平行排列的N*N个温度传感器，其中N为不小于1的整数。

6.根据权利要求5所述的环境流量确定系统中河道流速的测量装置，其特征在于，所述温度传感器等间距排列在所述温度传感器板上。

7.根据权利要求6所述的环境流量确定系统中河道流速的测量装置，其特征在于，所述发热电阻丝呈螺旋状，所述发热电阻丝轴线方向和水流方向相同。

8.根据权利要求7所述的环境流量确定系统中河道流速的测量装置，其特征在于，所述发热电阻丝的轴线与所述温度传感器板所在平面呈垂直关系。

9.根据权利要求8所述的环境流量确定系统中河道流速的测量装置，其特征在于，所述重块为一铁块。

10.根据权利要求9所述的环境流量确定系统中河道流速的测量装置，其特征在于，所述传输绳包括一钢丝绳、一电源线以及一传输线，所述钢丝绳与所述重块连接，所述电源线一端与所述电源相接，另一端与所述发热电阻丝相接，所述传输线一端与所述温度传感器板相接，另一端与所述统计单元相接。