CN107884154A - 基于互相关法的推移质输沙率测量系统及测量方法 - Google Patents
基于互相关法的推移质输沙率测量系统及测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于互相关法的推移质输沙率测量系统及测量方法，测量系统包括水上测深装置以及岸基控制装置，所述水上测深装置包括测深器船体，测深器船体通过支撑杆安装在防撞浮圈的上方，防撞浮圈的底部安装有推进器，测量方法包括结合实地踏勘和遥感影像设计测量断面，设定水上测深装置测量航线；水上测深装置对预设河段进行两个不同时段的纵向水下地形连续测量；水下地形数据通过无线传输至岸基控制装置，岸基控制装置的地形数据分析单元得到沙波移动速度和平均沙波高度；将沙波移动速度和平均沙波高度代入公式，得到单宽推移质输沙率，可以在不对天然河道床面推移质输移过程产生扰动的条件下，实现推移质输沙率的观测与分析。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程实验技术领域，具体是一种基于互相关法的推移质输沙率测量系统及测量方法。
背景技术
推移质运动是水流中泥沙运动的主要形式之一,也是泥沙研究中的重点问题。泥沙推移时,推移质颗粒在河床表面作各种不同形式的集体运动,使床面形态也随着输沙强度的不同而时时都有改变。对于山区河流,推移质沿河床表面以滚动、滑动或跳动,对河床形态有巨大影响,因此研究推移质的输沙率,具有重要的意义。由于推移质运动往往引起水库淤积,缩短水库寿命,所以推移质研究是工程可行性研究的关键问题之一。输沙率作为推移质运动的重要参数,它的测量对于工程的可行性研究有实用价值,但是床面泥沙运动与其边界的复杂性，造成了推移质输沙率测量的困难。近年来，针对试验室水槽条件，不同学者提出了多种精度较高的推移质输沙率观测方法，但对于天然河流中的推移质输移，由于缺乏比较精确地量测手段，推移质输沙率的研究难以精准。
目前，国内外采用的天然河道推移质输移观测设备都不够完善，或者是取样过程对自然流场扰动较大，或者取样效率较低。例如，以往常用的压差式和网式两类推移质取样器法，采样时因取样器身置于河床表面之上，对水流具有一定阻力，改变了原有水流条件和输沙条件，使得采样和测量都会产生一定误差，同时，取样器法只能用于测量某一时间段的平均输沙率，不能实现全自动、数字化的要求，也不能测量出推移质的实际状况。另一类坑测法的取样装置，在采样过程中对河流的自然流场扰动较小，能获得较高的采样精度，但也存在以下缺点:(1)挖坑埋设坑测装置时，很难保证箱顶高度与自然河床的床面高度一致；(2)坑测装置的挖埋过程对取样断面上游河床的自然表面造成一定程度的损坏影响了输沙条件。
发明内容
本发明的是为了提供一种基于互相关法的推移质输沙率测量系统及测量方法，通过对河道水下地形进行连续测量，基于互相关法对两个时段的地形数据进行相关性分析，可以在不对天然河道床面推移质输移过程产生扰动的条件下，实现推移质输沙率的观测与分析。
本发明的技术方案：一种基于互相关法的推移质输沙率测量系统，包括水上测深装置以及岸基控制装置，所述水上测深装置包括测深器船体，测深器船体通过支撑杆安装在防撞浮圈的上方，防撞浮圈的底部安装有推进器，推进器安装在防撞浮圈的前后左右四个方向以便于控制测深器船体的航向，在测深器船体的上方安装有用于与岸基控制装置通信的数据传输天线、用于对测深器船体航行线路四周环境进行拍摄的全景摄像头、用于测深器船体定位的GPS定位装置，在测深器船体的下方安装有用于进行水深探测的测深仪，在测深器船体内安装有用于驱动推进器的电机装置以及用于控制数据传输天线、全景摄像头、GPS定位装置、测深仪和电机装置的控制芯片，在测深器船体内还安装有电源装置用于给水上测深装置供电；所述岸基控制装置包括笔记本电脑，笔记本电脑包括与数据传输天线进行通讯连接的无线通讯单元、用于对水上测深装置进行控制的控制单元、用于对水上测深装置采集数据进行分析计算的地形数据分析单元和用于存储实地踏勘和遥感影像的地形资料数据库。
所述测深器船体为椭球状中空船体，在测深器船体内还安装有用于存储全景摄像头拍摄的图像信息以及测深仪测量的水深数据的存储器。
所述测深仪为单波束测深仪。
所述控制芯片为德州仪器的MSP430单片机。
所述测深器船体材料采用高强度玻璃钢材质。
所述推进器的底部与防撞浮圈的底部平齐。
所述电源装置为充电锂电池或者太阳能电池。
一种基于互相关法的推移质输沙率测量方法，包括以下具体步骤：
S1.结合实地踏勘和遥感影像设计测量断面，设定水上测深装置测量航线；
S2.水上测深装置对预设河段进行两个不同时段的纵向水下地形连续测量；
S3.水下地形数据通过无线传输至岸基控制装置，岸基控制装置的地形数据分析单元得到沙波移动速度和平均沙波高度；
S4.将沙波移动速度和平均沙波高度代入下式，得到单宽推移质输沙率，
式中，qb为单宽推移质输沙率，λp为床沙孔隙率，λp数值为0.3～0.4，Ub为沙波移动速度，Λ为沙波高度。
所述步骤S3具体分析过程如下，
S10.对两个时段的河床纵剖面地形进行光滑处理；
S11.基于互相关法得到两个时间段内沙波移动距离；
S12.通过沙波移动距离除以时间得到沙波移动速度；
S13.通过分析沙波形态得到河床平均基面；
S14.将各沙波高度与河床平均基面差值绝对值的平均值作为平均沙波高度。
所述步骤S11互相关法计算沙波移动距离基本原理如下，
设观测到的河床纵剖面地形数据为s(n)，两个时段的地形函数为
x1(n)＝s(n)+v1(n) (2)
x2(n)＝s(n-D)+v2(n) (3)
其中v1(n)和v2(n)为脉动值，D为沙波运动的滞后距离，计算x1(n)和x2(n)的相关函数：
式中，Rss(·)为地形s的自相关函数，Rsv(·)为s和v的互相关函数，假定地形与脉动值两者互不相关，则有
式(4)变成
R12(Γ)＝Rss(Γ-D) (8)
由自相关函数的性质有
|Rss(Γ-D)|≤Rss(0) (9)
可知，当Γ-D＝0时，Rss(·)达到最大值；因此，选择Rss(Γ-D)取得最大值时的Γ值：
作为沙波移动距离的估值，式(10)中arg[·]表示取函数的自变量，max[·]表示求函数的最大值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
设置防撞浮圈，能够保护测深器船体的安全，并且能够防止碰撞造成内部元器件损坏；设置全景摄像头，方便操控人员查看水域情况、躲避水面障碍物；测深器船体内安装有控制芯片，可以实现自动控制，按预设的航线自动走线测量；通过对河道水下地形进行连续测量，基于互相关法对两个时段的地形数据进行相关性分析，可以在不对天然河道床面推移质输移过程产生扰动的条件下，实现推移质输沙率的观测与分析。
附图说明
图1为本发明测量系统整体结构示意图；
图2为本发明防撞浮圈结构示意图；
图3为本发明水上测深装置测量航线示意图；
图4为本发明水下地形数据示意图；
图5为本发明基于互相关法得到时间段内沙波运动距离示意图。
图中：1、水上测深装置，2、岸基控制装置，10、测深器船体，11、防撞浮圈，12、支撑杆，13、推进器，14、数据传输天线，15、全景摄像头，16、GPS定位装置，17、测深仪，18、电机装置，19、控制芯片，21、无线通讯单元，22、控制单元，23、地形数据分析单元，24、地形资料数据库，100、电源装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于互相关法的推移质输沙率测量系统，包括水上测深装置1以及岸基控制装置2，所述水上测深装置1包括测深器船体10，测深器船体10通过支撑杆12安装在防撞浮圈11的上方，防撞浮圈11的底部安装有推进器13，推进器13安装在防撞浮圈11的前后左右四个方向以便于控制测深器船体10的航向，在测深器船体10的上方安装有用于与岸基控制装置2通信的数据传输天线14、用于对测深器船体10航行线路四周环境进行拍摄的全景摄像头15、用于测深器船体10定位的GPS定位装置16，在测深器船体10的下方安装有用于进行水深探测的测深仪17，在测深器船体10内安装有用于驱动推进器13的电机装置18以及用于控制数据传输天线14、全景摄像头15、GPS定位装置16、测深仪17和电机装置18的控制芯片19，在测深器船体10内还安装有电源装置100用于给水上测深装置1供电；所述岸基控制装置2包括笔记本电脑，笔记本电脑包括与数据传输天线14进行通讯连接的无线通讯单元21、用于对水上测深装置1进行控制的控制单元22、用于对水上测深装置1采集数据进行分析计算的地形数据分析单元23和用于存储实地踏勘和遥感影像的地形资料数据库24。
所述测深器船体10为椭球状中空船体，在测深器船体10内还安装有用于存储全景摄像头15拍摄的图像信息以及测深仪测量的水深数据的存储器。
所述测深仪17为单波束测深仪。
所述控制芯片19为德州仪器的MSP430单片机。
所述测深器船体10材料采用高强度玻璃钢材质。
所述推进器13的底部与防撞浮圈11的底部平齐。
所述电源装置100为充电锂电池或者太阳能电池。
如图3至图5所示，一种基于互相关法的推移质输沙率测量方法，包括以下具体步骤：
S1.结合实地踏勘和遥感影像设计测量断面，设定水上测深装置测量航线；
S2.水上测深装置对预设河段进行两个不同时段的纵向水下地形连续测量；
S3.水下地形数据通过无线传输至岸基控制装置，岸基控制装置的地形数据分析单元得到沙波移动速度和平均沙波高度；
S4.将沙波移动速度和平均沙波高度代入下式，得到单宽推移质输沙率，
式中，qb为单宽推移质输沙率，λp为床沙孔隙率，λp数值为0.3～0.4，Ub为沙波移动速度，Λ为沙波高度。
当相关函数为最大值时，得到沙波运动距离为4.5m，即沙波运动速度为4.5m/day(5.2×10-5m/s)；平均沙波高度为0.41m；将各值代入式(1)中计算可得单宽体积推移质输沙率为6.41×10-6m2/s。
所述步骤S3具体分析过程如下，
S10.对两个时段的河床纵剖面地形进行光滑处理；
S11.基于互相关法得到两个时间段内沙波移动距离；
S12.通过沙波移动距离除以时间得到沙波移动速度；
S13.通过分析沙波形态得到河床平均基面；
S14.将各沙波高度与河床平均基面差值绝对值的平均值作为平均沙波高度。
所述步骤S11互相关法计算沙波移动距离基本原理如下，
设观测到的河床纵剖面地形数据为s(n)，两个时段的地形函数为
x1(n)＝s(n)+v1(n) (2)
x2(n)＝s(n-D)+v2(n) (3)
其中v1(n)和v2(n)为脉动值，D为沙波运动的滞后距离，计算x1(n)和x2(n)的相关函数：
式中，Rss(·)为地形s的自相关函数，Rsv(·)为s和v的互相关函数，假定地形与脉动值两者互不相关，则有
式(4)变成
R12(Γ)＝Rss(Γ-D) (8)
由自相关函数的性质有
|Rss(Γ-D)|≤Rss(0) (9)
可知，当Γ-D＝0时，Rss(·)达到最大值；因此，选择Rss(Γ-D)取得最大值时的Γ值：
作为沙波移动距离的估值，式(10)中arg[·]表示取函数的自变量，max[·]表示求函数的最大值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：包括水上测深装置以及岸基控制装置，所述水上测深装置包括测深器船体，测深器船体通过支撑杆安装在防撞浮圈的上方，防撞浮圈的底部安装有推进器，推进器安装在防撞浮圈的前后左右四个方向以便于控制测深器船体的航向，在测深器船体的上方安装有用于与岸基控制装置通信的数据传输天线、用于对测深器船体航行线路四周环境进行拍摄的全景摄像头、用于测深器船体定位的GPS定位装置，在测深器船体的下方安装有用于进行水深探测的测深仪，在测深器船体内安装有用于驱动推进器的电机装置以及用于控制数据传输天线、全景摄像头、GPS定位装置、测深仪和电机装置的控制芯片，在测深器船体内还安装有电源装置用于给水上测深装置供电；所述岸基控制装置包括笔记本电脑，笔记本电脑包括与数据传输天线进行通讯连接的无线通讯单元、用于对水上测深装置进行控制的控制单元、用于对水上测深装置采集数据进行分析计算的地形数据分析单元和用于存储实地踏勘和遥感影像的地形资料数据库。
2.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述测深器船体为椭球状中空船体，在测深器船体内还安装有用于存储全景摄像头拍摄的图像信息以及测深仪测量的水深数据的存储器。
3.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述测深仪为单波束测深仪。
4.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述控制芯片为德州仪器的MSP430单片机。
5.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述测深器船体材料采用高强度玻璃钢材质。
6.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述推进器的底部与防撞浮圈的底部平齐。
7.根据权利要求1所述的基于互相关法的推移质输沙率测量系统，其特征在于：所述电源装置为充电锂电池或者太阳能电池。
8.一种基于互相关法的推移质输沙率测量方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.结合实地踏勘和遥感影像设计测量断面，设定水上测深装置测量航线；
S2.水上测深装置对预设河段进行两个不同时段的纵向水下地形连续测量；
S3.水下地形数据通过无线传输至岸基控制装置，岸基控制装置的地形数据分析单元得到沙波移动速度和平均沙波高度；
S4.将沙波移动速度和平均沙波高度代入下式，得到单宽推移质输沙率，
<mrow>
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式中，qb为单宽推移质输沙率，λp为床沙孔隙率，λp数值为0.3～0.4，Ub为沙波移动速度，Λ为沙波高度。
9.根据权利要求8所述的一种基于互相关法的推移质输沙率测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体分析过程如下，
S10.对两个时段的河床纵剖面地形进行光滑处理；
S11.基于互相关法得到两个时间段内沙波移动距离；
S12.通过沙波移动距离除以时间得到沙波移动速度；
S13.通过分析沙波形态得到河床平均基面；
S14.将各沙波高度与河床平均基面差值绝对值的平均值作为平均沙波高度。
10.根据权利要求9所述的一种基于互相关法的推移质输沙率测量方法，其特征在于所述步骤S11互相关法计算沙波移动距离基本原理如下，
设观测到的河床纵剖面地形数据为s(n)，两个时段的地形函数为
x1(n)＝s(n)+v1(n) (2)
x2(n)＝s(n-D)+v2(n) (3)
其中v1(n)和v2(n)为脉动值，D为沙波运动的滞后距离，计算x1(n)和x2(n)的相关函数：
<mrow>
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式中，Rss(·)为地形s的自相关函数，Rsv(·)为s和v的互相关函数，假定地形与脉动值两者互不相关，则有
<mrow>
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<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(4)变成
R12(Γ)＝Rss(Γ-D) (8)
由自相关函数的性质有
|Rss(Γ-D)|≤Rss(0) (9)
可知，当Γ-D＝0时，Rss(·)达到最大值；因此，选择Rss(Γ-D)取得最大值时的Γ值：
<mrow>
<mover>
<mi>D</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mi>arg</mi>
<mo>{</mo>
<mrow>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>10</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
作为沙波移动距离的估值，式(10)中arg[·]表示取函数的自变量，max[·]表示求函数的最大值。
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