CN107632168B

CN107632168B - 一种河道二维流速及流量测量系统及方法

Info

Publication number: CN107632168B
Application number: CN201710892697.1A
Authority: CN
Inventors: 杨波; 方雷; 郑豪锋
Original assignee: Hangzhou Hong Environmental Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Kaiyong Fluid Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: CN107632168A

Abstract

本发明公开了一种河道二维流速及流量测量系统，包括声学多普勒流速仪、机械旋转驱动装置、嵌入式控制及数据采集装置和上位机，上位机连接嵌入式控制及数据采集装置，嵌入式控制及数据采集装置连接机械旋转驱动装置，机械旋转驱动装置连接声学多普勒流速仪。一种河道二维流速及流量测量方法，包括以下步骤：(a)流速扫描；(b)流速推算；(c)流量计算。该系统利用水下机械转动设备和声学多普勒流速剖面仪相结合的设计，使传统的一维流速剖面数据扩展为二维扫描流速数据，并采用流体动力学计算模型进行河道流量的计算拟合从而得到更准确的流量数据，解决了现有测量系统无法保证测得流量数据的实时准确有效性等问题。

Description

一种河道二维流速及流量测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种河道二维流速及流量测量系统及方法。

背景技术

传统的ADCP一般采用岸边固定安装，水平发射声波的方式获取一维的流速剖面数据，此流速数据称之为指标流速。指标流速对整个河道断面平均流速的代表性较差，并且当水位发生变化时，指标流速与断面平均流速的关系将发生根本性变化，必须重新率定二者关系才能保证测流系统的数据可用性，这将导致人力物力的大量消耗，且无法保证所测得流量数据的实时准确有效性。此外，由于洪水、淤积等原因可能造成河床形状的变化，而河床形状变化将直接导致测流系统得出的断面流量数据准确性下降，传统的测流系统无法实时得知断面情况，只有重新对河床进行人工断面扫描才能对断面数据进行修改完善，耗时耗力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种河道二维流速及流量测量系统及方法，该系统基于相控阵扫描技术开发的二维流速ADCP产品，利用水下机械转动设备和声学多普勒流速剖面仪相结合的设计，使传统的一维流速剖面数据扩展为二维扫描流速数据，并采用流体动力学计算模型进行河道流量的计算拟合从而得到更准确的流量数据，解决了现有测量系统无法保证测得流量数据的实时准确有效性等问题。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种河道二维流速及流量测量系统，包括声学多普勒流速仪、机械旋转驱动装置、嵌入式控制及数据采集装置和上位机，上位机连接嵌入式控制及数据采集装置，嵌入式控制及数据采集装置连接机械旋转驱动装置，机械旋转驱动装置连接声学多普勒流速仪，声学多普勒流速仪连接嵌入式控制及数据采集装置。

声学多普勒流速仪：主要实现河道水平分层流速的测量功能。

机械旋转驱动装置：可实现对声学多普勒流速仪的旋转控制的驱动功能。

嵌入式控制及数据采集装置：一方面可以采集声学多普勒流速仪测量数据，并可实现对其启动、停止测量的反控功能；另一面可通过机械旋转驱动装置实现对声学多普勒流速仪位置闭环控制功能。

上位机：采集嵌入式控制及数据采集装置原始流速测量数据和装置状态数据，首先基于原始已测流速数据通过合理的算法模型对河道断面未测区域流速进行外推，然后再基于河道断面流速分布情况通过一定的算法对河道流量进行计算。

一种河道二维流速及流量测量方法，包括以下步骤：

(a)流速扫描：控制声学多普勒流速仪在一定角度范围内旋转，实现河流断面二维流速扫描功能。

(b)流速推算：根据已测区域流速分布情况，通过算法对未测区域流速分布进行外推，求得断面全水域流速分布；根据流体运动的物理规律，对全水域流速分布进行仿真精算。

(c)流量计算：根据河流断面总体流速分布以及断面形状，通过算法对河道断面总体流量进行计算。

进一步，在步骤(a)中，流速扫描具体过程：

(1)控制声学多普勒流速仪开始扫描河道断面，起始位置相控角度X；

(2)相控角度X处，声学多普勒流速仪开始当前位置流速的测量，测量持续时间为t；

(3)测量结束后，由嵌入式控制及数据采集装置控制机械旋转驱动装置驱动声学多普勒流速仪开始旋转，间隔角度为α，声学多普勒流速仪停止旋转并开始当前位置分层流速的测量；测量持续时间为t；

(4)声学多普勒流速仪按照间隔角度为α继续旋转并保持t时间的持续测量，直至声学多普勒流速仪扫描的数据在最大旋转角β内尽可能覆盖河道断面。

(5)声学多普勒流速仪相控角度复位，本次流速测量过程结束。

进一步，在步骤(5)完成后，在多角度测速扫描完成后，获得以声学多普勒流速仪为原点的极坐标系内测量数据，通过坐标换算建模后，由流速及所测流速对应位置坐标，生成断面所在直角坐标系的流速分布模型，作为流速外推的操作基础；在此基础上，通过声学多普勒流速仪完成的流速测量工作，将该河道总断面分为测量区域和扫描盲区，所述测量区域分为近似水平ADCP工作区间与近似垂直ADCP工作区间，所述扫描盲区包括上扫描盲区、下扫描盲区、左岸扫描盲区和右岸扫描盲区。

进一步，在步骤(b)中，流速推算的具体步骤包括:(1)剖面流速外推，(2) 流体仿真精算。

剖面流速外推采用剖面流速法，剖面流速法通过流体在纵向和横向上的分布规律来外延实测数据，分为剖面流速的纵向外延和剖面流速的横向外延。

所述流体仿真精算采用流速仿真与同化法，根据流体运动的物理规律，对全水域流速分布进行仿真精算。

进一步，剖面流速的垂线分布呈幂指数形式或对数形式，剖面流速的纵向外延的公式为

式中u(z_a)为参考高度为z_a处的流速，m为经验常数；剖面流速的纵向外延包括近似水平ADCP工作区间的剖面流速的纵向外延和近似垂直ADCP工作区间的剖面流速的纵向外延。

进一步，近似垂直ADCP工作区间的剖面流速的纵向外延采用的公式为

通过拟合方式计算河底剪切流速和河底粗糙高度，式中：К＝Karman常数(＝0.41)，U*＝河底剪切流速，z0＝河底粗糙高度；近似水平ADCP 工作区间的剖面流速的纵向外延采用的公式：

式中

n是Manning粗糙系数。

进一步，剖面流速的横向外延的过程：先算出水深平均流速，采用的公式为

式中h为垂线微小断面处的水深，Z₁为最深有效测量单元的河底高程，Z₂为最浅有效测量单元的河底高程；然后采用弗氏系数外延法，弗氏系数

式中g是重力加速度，垂线i₀处的平均流速和水深分别为

和

Figure DEST_PATH_GDA00014496782200000414

最后通过弗氏系数算出任一垂线i处的平均流速是：

进一步，流速仿真与同化法先基于流体动量基本方程：具体公式为

式中u是顺流流速，x,y和σ分别为顺流，横向和垂直坐标，D是水深，I是河流坡度，A_H和A_V是水平和垂直涡流黏性系数， F_a是有关平流和扩散的综合附加项；然后根据F_a的垂直方向符合均匀分布，演化得到水深平均的附加项

满足水深平均的动量方程：

式中是水深平均顺流流速，和C_f是水深平均水平涡流黏性系数和河床摩擦系数；通过水深平均的附加项满足水深平均的动量方程得到差分方程：式中最后由声学多普勒流速仪测得的流速数据解上述方程求得综合附加项，通过剖面流速外推得到的流速数据外延得到整个过水断面的水深平均附加项Fa，进一步代入公式

Figure DEST_PATH_GDA00014496782200000413

得到各点的流速u(i,j)，通过重复迭代上述过程模拟水体流动，最终u(i,j) 与Fa收敛，得到整个过水断面的流速分布精算结果。

进一步，流量计算公式:

在坐标i₀位置处水深

取横向单位跨度sp，起始位置a，结束位置b，最终得到流量Q。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明为一种河道二维流速及流量测量系统及方法，本系统基于相控阵扫描技术开发的二维流速ADCP产品，利用水下机械转动设备和声学多普勒流速剖面仪相结合的设计，使传统的一维流速剖面数据扩展为二维扫描流速数据，并采用流体动力学计算模型进行河道流量的计算拟合从而得到更准确的流量数据，解决了现有测量系统无法保证测得流量数据的实时准确有效性等问题。

本系统与目前市场上一维ADCP产品相比，该项目实现河道全覆盖断面扫描，测量数据提高几十、上百倍，大大提高的测量的准确度。特别是在流场复杂的河流环境下，仍可保证高精度的河流断面流量测量。该产品项目采用相控技术，使得整个相控测量仪器测流设备体积更小，方便安装调试维护。

该方法根据不同环境的河道和水流情况自动调整测流模式、单元尺寸和单元数目，以及河道模型的扫描。无需人工法去率定流速流量，采用自动二维扫描多点流速和河流断面以及通过流速外推方法获取未测区域(盲区)流速，最终自动产生河道流量数据。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明中一种河道二维流速及流量测量系统的结构示意图；

图2为本发明中一种河道二维流速及流量测量方法的流程示意图；

图3为本实施例中流速扫描的单次测量流程的结构示意图；

图4为本实施例中河道总断面分为测量区域和扫描盲区的区域分布图；

图5为本实施例中断面建模的结构示意图；

图6为本实施例中声学多普勒流速仪在断面建模坐标系的位置示意图；

图7为本实施例1中流速仿真与同化法的效果示意图；

图8为本实施例2中流速仿真与同化法的效果示意图；

图9为本实施例1中剖面流速的纵向外延示意图；

图10为本实施例2中剖面流速的纵向外延示意图；

图11为本实施例1中UnitSize取0.1m的断面实测复原图；

图12为本实施例1中UnitSize取0.5m的断面实测复原图；

图13为实施例中声学多普勒流速仪的流速实测示意图；

图14为本实施例中河道断面结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种河道二维流速及流量测量系统，包括声学多普勒流速仪、机械旋转驱动装置、嵌入式控制及数据采集装置和上位机，上位机连接嵌入式控制及数据采集装置，嵌入式控制及数据采集装置连接机械旋转驱动装置，机械旋转驱动装置连接声学多普勒流速仪，声学多普勒流速仪连接嵌入式控制及数据采集装置。

声学多普勒流速仪、机械旋转驱动装置、嵌入式控制及数据采集装置均连接电源模块，为整个系统供电。

一种河道二维流速及流量测量方法的具体实施例(参考图2)：

进行测量工作前的准备工作：先对需要测量的河道进行勘测(河道断面图如图14所示)，确定声学多普勒流速仪的安装位置，确保测量工作的顺利进行；然后通过嵌入式控制及数据采集装置采集河道断面的几何形状、河床坡度、水位，以便为流速测量工作做准备。

(a)流速扫描：控制声学多普勒流速仪在一定角度范围内旋转，实现河流断面二维流速扫描功能。具体过程如下：

(1)设置测流参数，测流参数主要包括ADCP测流层数N、层厚D等。控制参数转角间隔α、最大偏转角度β和单元测量持续时间t；

(2)控制声学多普勒流速仪初始位置为水平,在上述水平位置，声学多普勒流速仪开始当前位置水平分层流速的测量，测量持续时间为t；

(3)水平位置测量结束后，由嵌入式控制及数据采集装置控制机械旋转驱动装置驱动声学多普勒流速仪往上方开始旋转，间隔角度为α，声学多普勒流速仪停止旋转并开始当前位置水平分层流速的测量；测量持续时间为t；

(4)声学多普勒流速仪按照间隔角度为α往上继续旋转并保持t时间的持续测量，直至声学多普勒流速仪与水平方向的夹角大于最大旋转角β后，开始往下旋转；

(5)声学多普勒流速仪往下旋转过程中过初始位置水平起始点后，继续往下旋转测量，同样保持测量持续时间t，直至声学多普勒流速仪与水平方向的夹角大于最大旋转角β，开始往上旋转；

(6)声学多普勒流速仪往上旋转至水平初始位置时，本次流速测量过程结束。(具体参考图3)

其中本实施例声学多普勒流速仪的流速实测如图13所示。

其中流速扫描过程中涉及到间隔角度为α、最大旋转角β、测量持续时间为t三个可调参数，其中对各参数说明如下：

间隔角度为α：与测流线的密集程度有关，间隔角度α越小，测流线越密集，同时单次测流周期越长；间隔角度α越大，测流线越稀疏，同时单次测流周期越短；

最大旋转角β：与测流线的最大覆盖范围有关，最大旋转角β越大，流速测量覆盖范围越大，单次测流周期越长；最大旋转角β越小，流速测量覆盖范围越小，单次测流周期越短；

测量持续时间为t：与独立位置测流稳定性有关。水体中的流速通常有脉动，测量持续时间t可选取一合适值，既可通过求此段时间内平均值消除水体流速脉动影响，又可以将单次测流周期控制在一个合理的时间周期之内。

在步骤(6)完成后，获得一组在所设ADCP参数条件下的，以机械相控声学多普勒流速仪为原点的极坐标系内测量数据。所设ADCP参数主要指测流层数 N、层厚D等，结合上述控制参数α、β和t，获得一组以机械相控声学多普勒流速仪为原点的极坐标系内测量数据，通过建模换算后，得到断面所在直角坐标系内的流速及所测流速对应坐标(实测数据呈扇形分布)。声学多普勒流速仪测量原始数据如表1所示。

表1

其中断面建模的具体操作：

(1)以大断面起测点为x轴基点，岸基0水位点为y轴基点。

(2)设置高程平移参数y0,建立xy直角坐标系。

(3)平移参数y0可调，y0设置时应大于历史最高水位，使断面坐标系覆盖全水域。(具体参考图5)

声学多普勒流速仪的安装定位：(x1，y1)分别为安装位置到大断面起测点的水平距离和到岸基0水位点的垂直距离。换算到断面坐标系，ADCP安装位置坐标为(x1，y1+y0)。(具体参考图6)

在此基础上，通过声学多普勒流速仪完成的流速测量工作，数据由极坐标系转入直角坐标系后，根据测量特性，将该河道总断面分为测量区域和扫描盲区，测量区域分为近似水平ADCP工作区间与近似垂直ADCP工作区间，对两个不同区域采用不同的算法分别处理。上述两个不同区域通过可调参数ModeKey 进行分区，可调参数ModeKey的设置根据垂线上实测有效数据的覆盖范围进行选择。扫描盲区包括上扫描盲区、下扫描盲区、左岸扫描盲区和右岸扫描盲区。 (具体参考图4)。

(b)流速推算：根据已测区域流速分布情况，通过算法对未测区域流速分布进行外推，求得断面全水域流速分布；根据流体运动的物理规律，对全水域流速分布进行仿真精算。步骤如下:

(1)流速外推前期工作：先将断面划分为若干单元格，可调参数：单元格尺寸UnitSize，单元格尺寸越小断面数据处理的分辨率越高，但计算量越大。

(2)剖面流速外推。

(3)流体仿真精算。

针对剖面流速的纵向外延：

1、原理基础：

河水流速的纵向分布遵循公式

(式中u(z_a)＝参考高度为z_a处的流速，m为经验常数，与河床糙率有关)

2、算法实现：

将测量区域划分为近似水平ADCP与近似垂直ADCP工作区间，对两个不同区域采用不同的算法分别处理：在ADCP工作状态接近垂直ADCP工作状态的位置，由于垂线上数据量大，可通过拟合方式外延；而在ADCP工作状态接近水平 ADCP工作状态的位置，垂线上数据量小，则采取人工设定Manning粗糙系数的方式进行计算。

上述两个不同区域纵向外延算法分别介绍如下：

(1)数据量大于阈值ModeKey时为近似垂直ADCP工作状态区，参考公式

通过拟合方式计算河底剪切流速和河底粗糙高度，式中：К＝Karman常数(＝0.41)，U_*＝河底剪切流速，z₀＝河底粗糙高度。

求得U_*和z₀后，带入实测数据可求出对应垂线上各点流速。

由线性回归拟合函数求得k，c

则有拟合公式y＝kx+c，综合前公式

可得

解得U_*＝k*κ，In(z₀)＝-c/k

带入可计算纵向流速分布各点数据。

(2)数据量小于阈值ModeKey时，参考公式

式中

n是Manning粗糙系数。根据河底的实际情况查表找到对应的Manning粗糙系数，然后把实测的流速u₀和其距离河床的高度z′_o代入公式以算得U_*。而后通过测得的流速数据可计算垂线上各点流速分布。

针对剖面流速的横向外延：

首先定义水深平均流速为：

式中h为垂线微小断面处的水深，Z₁为最深有效测量单元的河底高程，

Z₂为最浅有效测量单元的河底高程。通过积分运算可求得断面纵向平均流速。

弗氏系数外延法：弗氏系数

g是重力加速度，垂线i₀处的平均流速和水深分别为

和

假设弗氏系数在整个断面内为常数，那么任一垂线i处的平均流速是：

计算弗氏系数，根据弗氏系数计算各垂线的平均流速分布，进而可求得整体断面的流量。

(1)流速仿真与同化法先基于流体动量基本方程：具体公式为

式中u是顺流流速，x,y和σ分别为顺流，横向和垂直坐标，D是水深，I是河流坡度，AH和AV是水平和垂直涡流黏性系数，Fa是有关平流和扩散的综合附加项；依据上述流体动量基本方程，在(1) 中所得全水域流速分布的基础上，建立横向涡流粘性系数分布模型，纵向涡流粘性系数分布模型，对断面流速分布进行流体仿真。使流体在断面内虚拟流动，模拟仿真断面流体的流动情况，进而对断面全水域流速分布进行精算。

流速仿真法就是对此流体动量方程的模拟仿真。方程中各项式意义如下：

gI为河流坡度与重力加速度的影响

为水平涡流粘性系数影响

为垂直涡流粘性系数影响

Fa为综合附加项

A_H和A_V之间又存在关系：

A_H＝βA_V,(β是用来描述异向湍流系数通常取值1-10)

(2)然后根据Fa的垂直方向符合均匀分布，演化得到水深平均的附加项

满足水深平均的动量方程：

式中

是水深平均顺流流速，

和C_f是水深平均水平涡流黏性系数和河床摩擦系数；

(可通过计算获得分布状态)

(可视为已知常数)

式中n是Manning粗糙系数。

(3)通过水深平均的附加项

Figure DEST_PATH_GDA00014496782200001210

满足水深平均的动量方程得到差分方程：

式中

由实测数据解上述方程求得综合附加项，通过外延扩散即可得到整个过水断面的水深平均附加项Fa。

(4)最后由声学多普勒流速仪测得的流速数据解上述方程求得综合附加项，通过剖面流速外推得到的流速数据外延得到整个过水断面的水深平均附加项Fa，进一步代入公式

在算法建模实现过程中，原剖面流速法仅采用剖面顺流流速建立一个图层进行计算，根据测量点数据直接推算断面流速分布。而流体仿真与同化法对过水断面构筑A_H和A_V(水平和垂直涡流黏性系数)图层、综合附加项Fa 图层。图层间的相互影响遵循流体动量基本方程，以此为据将模型内单元流体间的流速分布客观规律仿真出来构筑好流体环境，再将实测数据放入仿真模型，使模型与实测数据同化，通过若干次迭代后模拟出全断面的流速分布，最终计算得到总体流量。

(c)流量计算：根据河流断面总体流速分布以及断面形状，通过算法对河道断面总体流量进行计算，流量计算的公式:

在坐标i₀位置处水深

剖面流速的纵向外延有两组实测实施例：

设置ModeKey＝3；得到的剖面流速的纵向外延如图10所示。

ADCPdepth＝0.5；声学多普勒流速仪测量层厚，单位：m

UnitSize＝0.5；单元网格尺寸(不大于层厚)，单位：m

ModeKey*ADCPdepth/UnitSize＝3；

判定阈值ModeKey在垂线上有效数据点是否达到3个。

单一垂线上数据：(2个有效数据点)采用查Manning法做外延计算公式

得到近似垂直ADCP工作区间的剖面流速的纵向外延前后数据如表2所示。

表2

单一垂线上数据：(4个有效数据点)采用查Manning法做外延计算公式

得到近似水平ADCP工作区间的剖面流速的纵向外延前后数据如表3所示。

表3

当设置ModeKey＝1时；得到的剖面流速的纵向外延如图9所示。

得到近似垂直ADCP工作区间的剖面流速的纵向外延前后数据如表4所示。

表4

由表4可知，数据量过少，拟合失败。

得到近似水平ADCP工作区间的剖面流速的纵向外延前后数据如表5所示。

表5

UnitSize的取值不同有两组实测实施例：

实施例1为nitSize＝0.1时，

声学多普勒流速仪相关参数设定如下：

MinRange＝0.5；最近射程，单位：m

MaxRange＝15；最大射程，单位:m

ADCPdepth＝0.5；声学多普勒流速仪测量层厚，单位：m

ADCPNoP＝50；声学多普勒流速仪测量层数

可调系数：

Manning＝0.05；Manning粗糙系数；

Karman＝0.41；Karman常数＝0.41

mExp＝6；经验常数m

Gravity＝9.8；重力加速度

Beta＝1；1-10异向湍流常数

Init.ADCPPosition＝[6,2.8]；声学多普勒流速仪安装位置[距离断面0坐标点距离下水深度]，单位：米

得到实测图如图11所示。

实施例2为nitSize＝0.5时，

声学多普勒流速仪相关参数设定如下：

MinRange＝0.5；最近射程，单位：m

MaxRange＝15；最大射程，单位:m

ADCPdepth＝0.5；声学多普勒流速仪测量层厚，单位：m

ADCPNoP＝50；声学多普勒流速仪测量层数

可调系数：

Manning＝0.05；Manning粗糙系数；

Karman＝0.41；Karman常数＝0.41

mExp＝6；经验常数m

Gravity＝9.8；重力加速度

Beta＝1；1-10异向湍流常数

得到实测图如图12所示。

流速仿真与同化法的效果有两组实施例：

实施例1为Fa＝-9.798804e-01，Q＝3.669947e+01，

其中：Fa为综合附加项，Q为断面流量

设置：河流坡度＝0.1；河流坡度＝高程差/水平距离*％100

异向湍流常数Beta＝2

具体效果图如图7所示。

实施例2为F_a＝-9.798296e-01，Q＝3.691243e+01

其中：Fa为综合附加项，Q为断面流量

设置：河流坡度＝0.1；河流坡度＝高程差/水平距离*％100

异向湍流常数Beta＝2

具体效果图如图8所示。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种河道二维流速及流量测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)流速扫描：控制声学多普勒流速仪在一定角度范围内旋转，实现河流断面二维流速扫描功能；

(b)流速推算：根据已测区域流速分布情况，通过算法对未测区域流速分布进行外推，求得断面全水域流速分布；根据流体运动的物理规律，对全水域流速分布进行仿真精算；

(c)流量计算：根据河流断面总体流速分布以及断面形状，通过算法对河道断面总体流量进行计算；所述流量计算的公式:

其中，u_i为位置处i处垂线的平均流速，在坐标i₀位置处水深

取横向单位跨度sp，起始位置a，结束位置b，最终得到流量Q；在所述步骤(b)中，所述流速外推的具体步骤包括:(1)剖面流速外推，(2)流体仿真精算；所述剖面流速外推采用剖面流速法，所述剖面流速法通过流体在纵向和横向上的分布规律来外延实测数据，分为剖面流速的纵向外延和剖面流速的横向外延；所述流体仿真精算采用流速仿真与同化法，根据流体运动的物理规律，对全水域流速分布进行仿真精算；所述剖面流速的垂线分布呈幂指数形式或对数形式，所述剖面流速的纵向外延的公式为