CN105157759A - 一种基于泰森多边形的多点法测u型明渠流量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法，包括：在过水断面上等间距布设多条测速垂线；在每条测速垂线上布设测速点；当U型明渠中的来水稳定时，测量过水断面的水深，结合U型断面的尺寸进行裁剪即得过水断面尺寸；利用泰森多边形法求解出U型明渠流量数值。本发明采用基于泰森多边形的三点法进行施测，测量结果比较精确、稳定性高且测量流量的适用范围较大，基于泰森多边形的多点法能够快速的计算出U型明渠流量，有利于明渠流量的测量实现自动化，这对灌区水资源的合理运用，节水灌溉等方面有着非比寻常的意义。
Description
技术领域
本发明涉及U型明渠流量测量技术领域，具体涉及一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法。
背景技术
流量的精确测量对于灌区管理与节水有着重要的意义。U型渠道作为我国灌区主要的输水渠道，其测流技术的发展不够完善。我国农业用水占用水总量的70％左右，但灌溉用水有效率只有25％～40％(发达国家可达70％～80％)，利用率低，水资源浪费的现象非常严重。灌溉节约用水的潜力50％在于用水管理，而渠道测流技术则是灌溉用水管理和计划用水的关键技术之一，是促进节约用水的有效手段，是灌区征收水费的重要依据。
U型渠道具有占地面积少，节约耕地，减少材料，过流能力大、防止泥沙过度淤积，防渗性能好等优点，在我国灌区中应用的非常广泛，因此，其流量的测量对灌区用水节水有十分重要的意义。目前，国内外U型渠道的测流方法众多，各有其特点：杨士红等提出了采用基于U形渠道水流分布规律的明渠测流计算断面中线“三点法”，其流量测量精度较高，节省工作量，但在宽浅U型明渠中的精度不高；郝红科等研究分析出了相应的U形渠道过水断面流量的积分求和公式，但实际应用比较繁琐。马孝义等研究提出了抛物线形喉口式量水槽，具有工程较量小，量水精度满足灌溉测量精度要求，建议在灌区推广使用.王红雨等研究提出了基于流速仪的简化U型明渠测流方法；朱风书等研究提出了U形渠道抛物线形移动式量水堰板，其具有造价低、精度高的优点，但是只适用于小U形灌排渠道的移动式测流；崔岩等以U形直壁式测流槽为基础研制出了UQ-I型自动测流仪，实现了U型明渠测量的自动化且精度满足工程实际要求，对于提高我国U型明渠的测量技术具有重要意义，但是其在长期工作的环境下仍存在一些问题。总体来说，国内外U形渠道水力学特性的研究不够完善，测流技术仍处于发展阶段，很多灌区只能使用梯形或矩形渠道的测流方法，这使得流量测量的精度和工作的效率都大大降低，无法达到水资源合理管理、节约用水的要求。
1911年，荷兰气候学家A·H·Thiessen提出了一种根据离散分布气象站的降雨量来计算平均降雨量的方法，也称为垂直平分法或加权平均法。当流域中的雨量站分布不均匀时，利用泰森多边形法来求解流域平均降雨量更加贴合实际，且在降水气候分析或某区域降水量趋势预报中,用泰森多边形法计算的面雨量比算术平均法更科学、简便、合理。泰森多边形法就是采用圆搜索法将“最邻近”的雨量站连接成三角形，然后作每条边的垂直平分线，由垂直平分线及区域边界所围成的不规则多边形即为泰森多边形(如图1所示)。每个泰森多边形内包含一个雨量站，并以其雨量站的降雨强度来作为这个多边形区域内的降雨强度。最后将雨量站的降雨量与其所占的面积比重相乘求和即得区域平均降雨量。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法。
本发明的技术方案是：
一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法，包括：
步骤1：在过水断面上等间距布设多条测速垂线；
步骤2：在每条测速垂线上布设测速点；
步骤3：当U型明渠中的来水稳定时，测量过水断面的水深，结合U型断面的尺寸进行裁剪即得过水断面尺寸；
步骤4：利用泰森多边形法求解出U型明渠流量数值。
进一步地，步骤1所述过水断面上等间距布设三条测速垂线。
进一步地，所述三条测速垂线上均按照三点法的布设规则在0.2h、0.6h、0.8h处布设测速点，h表示测速垂线的高度。
进一步地，步骤4是利用泰森多边形的三点法求解出U型明渠流量数值。
进一步地，步骤4具体步骤如下：
步骤4-1：利用声学多普勒流速仪测量U型明渠过水断面各测速点的流速；
步骤4-2：根据过水断面尺寸及测量得到的U型明渠过水断面各测速点的流速，利用泰森多边形的三点法求得U型明渠流量。
进一步地，所述过水断面选在U型明渠的中部。
本发明的有益效果为：
本发明采用基于泰森多边形的三点法进行施测，测量结果比较精确、稳定性高且测量流量的适用范围较大，基于泰森多边形的多点法能够快速的计算出U型明渠流量，有利于明渠流量的测量实现自动化，这对灌区水资源的合理运用，节水灌溉等方面有着非比寻常的意义。
附图说明
图1是泰森多边形示意图；
图2是本发明实施例的一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法流程图；
图3是本发明实施例的实际流量与一点法流量对比图；
图4是本发明实施例的实际流量与二点法流量对比图；
图5是本发明实施例的实际流量与三点法流量对比图；
图6是本发明实施例的基于泰森多边形的多点法测流对比图；
图7是本发明实施例的U型明渠中的测点分布图；
图8是本发明实施例的过水断面测速点分布图及其形成的泰森多边形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本实施例中，在材质为不锈钢的U型明渠中进行实验，渠长为30m，过水断面由圆心角为136。、半径r＝255mm的直线段构成；采用IS200-150-250型离心式水泵控制来流流量。
一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法，如图2所示，包括：
步骤1：在过水断面上等间距布设多条测速垂线；
本实施例中，为保证施测断面的水流稳定且近似可作为均匀流处理分析，将施测断面选在U型明渠的中部，即距离明渠入水口15m处，过水断面上等间距布设三条测速垂线。
步骤2：在每条测速垂线上布设测速点；
三条测速垂线上均按照三点法的布设规则在0.2h、0.6h、0.8h处布设测速点，h表示测速垂线的高度。
在施测断面上等间距布设三条测速垂线，每条测速垂线上按照三点法的布设规则在0.2h、0.6h、0.8处布设测速点，一共9个测速点，即可满足一点法、二点法、三点法的测流要求。
U型明渠中的测点分布如图7所示，一点法的测点是每一条测速垂线的中间测点，二点法的测点为测速垂线的最高和最低相应的两个测速点，三点法的测点为测速垂线上的三个点。
步骤3：当U型明渠中的来水稳定时，测量过水断面的水深，结合U型断面的尺寸进行裁剪即得过水断面尺寸。
步骤4：利用泰森多边形法求解出U型明渠流量数值。
本实施例中利用泰森多边形的三点法求解出U型明渠流量数值。
步骤4具体步骤如下：
步骤4-1：利用声学多普勒流速仪测量U型明渠过水断面各测速点的流速；
使用SonTek/YSI公司生产的FlowTracker声学多普勒流速仪来测量U型明渠过水断面各测速点的流速。
步骤4-2：根据过水断面尺寸及测量得到的U型明渠过水断面各测速点的流速，利用泰森多边形的三点法求得U型明渠流量。
将获得的数据输入MapGIS软件中，利用MapGIS软件的构建泰森多边形的功能来求得基于泰森多边形的多点法测流流量数值。
利用分体式电磁流量计来测量来流流量数值。由于分体式电磁流量计测得的流量与真实流量的误差在±0.3％，所以可以将其测得的数值作为实际流量Q。
泰森多边形法测量明渠流量的计算原理如下：
泰森多边形法求解平均降雨量的研究对象是流域水平面，其计算涉及雨量站降雨强度、泰森多边形的面积权重系数。而泰森多边形法在明渠流量测量中的应用的研究对象是过水断面(纵断面)，其计算涉及测速点流速、泰森多边形的面积。可见两者的计算原理非常的相近，其流量Q的计算式如下：
Q＝V1·A1+V2·A2+…Vn·An
式中，Vi为测速点i的流速数值，Ai为测速点i所在的泰森多边形面积。
泰森多边形法应用于U型明渠流量的测量所具有的特点及优点如下：
①每个泰森多边形内仅含有一个测速点，用相应测速点施测所得的流速作为该泰森多边形区域的平均流速，流速数值与泰森多边形的面积相乘为部分流量，将部分流量求和即得U型明渠断面的流量，使得计算过程非常简便。
②泰森多边形内的点到相应测速点的距离最近且位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等，使得以测速点的流速来代替泰森多边形区域内部任意一点的流速显得更加科学、合理，计算的最终结果也更加准确。
③随着科学技术的发展，Mapgis、Arcgis等软件已经具备绘制明渠断面、构建泰森多边形、求解明渠流量这一系列的功能，从而解决了泰森多边形的面积难以求解的问题，大大提高了流量测量的效率。
本实施例中一共进行了9组实验，实验中使用多普勒流速仪按照从左岸到右岸的施测顺序来测量各测速点的流速并记录。虽然三点法布设的测速点包括了一点法、二点法布设的测速点，但是为了减少误差，每组实验都将一点法、二点法、三点法分开进行施测测速点流速。然后，将测得的断面尺寸及流速数据输入MapGIS软件中，利用其所具有的泰森多边形功能来求解出流量数值。
将所测得的数据绘制成散点图，然后根据施测所得流量与实际流量的线性关系进行线性拟合(如图3、4、5、6所示)。过水断面测速点分布图及其形成的泰森多边形如图8所示。
线性拟合方程的斜率分析：如图3所示，基于泰森多边形的一点法施测结果对应的线性拟合方程为Y＝1.1040X-0.0050，其斜率K＝1.1040，二点法、三点法对应的线性拟合方程的斜率分别为1.0300、1.0433(如图4、5)。由横坐标X(实际流量)与纵坐标Y(基于泰森多边形的一点法流量)之间的关系可得，线性拟合方程的斜率理论上应该等于1，而一点法的斜率与1的差值为0.104，相对误差为10.4％，二点法和三点法的斜率与1的相对误差分别为3％、4.33％。
可见，一点法对应的拟合直线的斜率与数值1的相对误差最大。表明当U型明渠中的真实流量较小时，随着真实流量数值的减小，基于泰森多边形的一点法施测所得的流量数值减小的速度快于真实流量数值减小的速度。当U型明渠中的真实流量较大时，随着真实流量数值的增大，基于泰森多边形的一点法施测所得的流量数值增大的速度快于真实流量数值增大的速度。由1.1040x-0.0050＝x，可得Q＝x＝0.0481m3/s时为上述变化的转折点。有此可得，当流量在一定程度上小于或大于0.0481m3/s时，基于泰森多边形的一点法不适用于U型明渠的流量测验。但真实流量在流量为0.0481m3/s左右的一定范围内，一点法在U型明渠中测量的结果满足工程实践的要求。
而二点法对应的拟合直线的斜率与数值1的相对误差最小，当U型明渠中的真实流量较小时，随着真实流量数值的减小，基于泰森多边形的二点法施测所得的流量数值减小的速度慢于真实流量数值减小的速度。则当U型明渠中的真实流量较大时，随着真实流量数值的增大，基于泰森多边形的二点法施测所得的流量数值增大的速度慢于真实流量数值增大的速度。由Q＝1.0300x+0.0001,并令Q＝x，求得Q＝x＝-0.0033。有此可得，由基于泰森多边形的二点法施测所得的流量数值普遍大于真实流量，并且当真实流量的数值越大，此方法测得的流量与真实流量的差值越大，误差越大。表明基于泰森多边形的二点法不适用于流量较大的U型明渠流量测验。
三点法对应的拟合直线的斜率与数值1的相对误差居于上述两种方法之间，可见基于泰森多边形的三点法在U型明渠流量测验的适用范围较以上两种方法更广。
相关系数分析：
一点法、二点法、三点法对应的相关系数分别为0.9915、0.9931、0.9995(见图3、4、5)。可见，基于泰森多边形的三点法相应的相关系数最大，表明其流量测验结果最为稳定，测验数值基本落于拟合直线上。而基于泰森多边形的一点法相应的相关系数最小，测验结果相对最不稳定，但是基本满足实际工程上的需求。
表1流量误差统计表
流量精度分析：
由表1可得，基于泰森多边形的一点法测得的U型明渠流量与真实流量的绝对平均误差为5.4％，二点法和三点法分别对应的绝对平均误差为4.6％、1.5％。由此可得，基于泰森多边形的三点法施测所得的U型明渠流量最接近真实值，较为精确。虽然一点法对应的绝对误差最大，但是其绝对误差远小于10％，满足工程实践中对U型明渠管道施测流量精度的要求。一点法、二点法、三点法的误差范围分别为-8.2％～6.6％、-4.8％～7.0％、-1.7％～2.7％。可见一点法的施测结果具有较大的波动范围，两次测量的相对误差差距最大可达15％，测量稳定性较差。三点法施测结果的误差波动不大，两次测量的相对误差差距最大仅有4.4％，测量效果较为稳定。
U型明渠广泛的应用于我国灌区内，其流量精确、快速的测量对于水资源的合理分配具有着重要意义。本实施例通过实验对比分析了基于泰森多边形的一点法、二点法、三点法在U型明渠测量流量中的规律：一点法测得的流量精度相对较低、稳定性较差，其测量流量的适用范围不能过大或过小，否则误差较大，但其施测的结果足以满足工程实践的要求。除此之外，一点法测验流量的过程较为简便，可大幅度提高流量测量的效率，大大减小工作量，在工程实践中能够得到广泛的应用。对于一些U型明渠需要求得较为精确的结果，则可采用基于泰森多边形的三点法进行施测。其测量结果比较精确、稳定性高且测量流量的适用范围较大。此外，基于泰森多边形的多点法结合MapGIS、ArcGIS等软件平台能够快速的计算出U型明渠流量，有利于明渠流量的测量实现自动化，这对灌区水资源的合理运用，节水灌溉等方面有着重要意义。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法，其特征在于，包括：
步骤1：在过水断面上等间距布设多条测速垂线；
步骤2：在每条测速垂线上布设测速点；
步骤3：当U型明渠中的来水稳定时，测量过水断面的水深，结合U型断面的尺寸进行裁剪即得过水断面尺寸；
步骤4：利用泰森多边形法求解出U型明渠流量数值。
2.根据权利要求1所述的一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法，其特征在于，步骤1所述过水断面上等间距布设三条测速垂线。
3.根据权利要求2所述的一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法，其特征在于，所述三条测速垂线上均按照三点法的布设规则在0.2h、0.6h、0.8h处布设测速点，h表示测速垂线的高度。
4.根据权利要求1所述的一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法，其特征在于，步骤4是利用泰森多边形的三点法求解出U型明渠流量数值。
5.根据权利要求1所述的一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法，其特征在于，步骤4具体步骤如下：
步骤4-1：利用声学多普勒流速仪测量U型明渠过水断面各测速点的流速；
步骤4-2：根据过水断面尺寸及测量得到的U型明渠过水断面各测速点的流速，利用泰森多边形的三点法求得U型明渠流量。
6.根据权利要求1所述的一种基于泰森多边形的多点法测U型明渠流量的方法，其特征在于，所述过水断面选在U型明渠的中部。
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|---|---|
| CN (1) | CN105157759A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107084765A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-08-22 | 中国农业大学 | 一种渠道流量计算方法及装置 |
| CN107290010A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-10-24 | 西北农林科技大学 | 一种浸入式明渠电磁流量测量系统及方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009037501A1 (en) * | 2007-09-17 | 2009-03-26 | Hymetrics Limited | Measurement of flow in a channel |
| CN201886034U (zh) * | 2010-12-08 | 2011-06-29 | 北京联合大学 | 流速流量测算仪表 |
| CN102401685A (zh) * | 2011-11-17 | 2012-04-04 | 中国计量学院 | 明渠流量计在线检定/校准的方法及其装置 |
| CN102944266A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-02-27 | 河海大学 | 一种基于水位流量关系的明渠量水计 |
| KR101440924B1 (ko) * | 2014-04-17 | 2014-09-17 | 주식회사 씨케이 테크피아 | 비접액식 유량측정시스템 및 그 제어방법 |
-
2015
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009037501A1 (en) * | 2007-09-17 | 2009-03-26 | Hymetrics Limited | Measurement of flow in a channel |
| CN201886034U (zh) * | 2010-12-08 | 2011-06-29 | 北京联合大学 | 流速流量测算仪表 |
| CN102401685A (zh) * | 2011-11-17 | 2012-04-04 | 中国计量学院 | 明渠流量计在线检定/校准的方法及其装置 |
| CN102944266A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-02-27 | 河海大学 | 一种基于水位流量关系的明渠量水计 |
| KR101440924B1 (ko) * | 2014-04-17 | 2014-09-17 | 주식회사 씨케이 테크피아 | 비접액식 유량측정시스템 및 그 제어방법 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 徐冬梅 刘晓民: "《水文水利计算》", 30 June 2013, 黄河水利出版社 * |
| 杨士红 等: "U型渠道流速分布特性分析与试验", 《农业机械学报》 * |
| 王忠红 等: "义乌降水气候分析中的面雨量计算及其应用比较", 《浙江水利水电专科学校学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107084765A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-08-22 | 中国农业大学 | 一种渠道流量计算方法及装置 |
| CN107290010A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-10-24 | 西北农林科技大学 | 一种浸入式明渠电磁流量测量系统及方法 |
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