CN108460483B - 一种天然河道流量的定量反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然河道流量的定量反演方法，所述方法包括：河道基础信息勘测；断面拟合及参数求解；实时监测水面宽；河道流量定量反演。本发明所述的方法利用遥测手段对河道的水流状态进行实时监测，对经过一次性测量的河道利用实时获取的水面宽度进行反演计算，准确地计算出当前河流流量，实现对流量的远距离实时评估。由于仅需要一次性实地测量，所设立的地面标记相对简单，费用很低，便于设立较多的监测点，而卫星和无人机等遥测手段费用也相对较低，在大幅度的提高远距离监测流量精度的前提下，降低了监测成本，这对于大范围的河流流量监测有着特别重要的意义。

Description

一种天然河道流量的定量反演方法

技术领域

本发明涉及一种天然河道流量的定量反演方法，是一种水资源计算方法，是一种对河流进行远距离实时监测的方法。

背景技术

河流的水文数据中，流量是一个十分重要的参数。暴雨所形成的自然灾害往往能够从河流的流量中获取明显的征兆，千百年来人类从河水的泛滥中已经总结出一套行之有效的流量与灾害之间的明确关系。随着现代水文资料的不断丰富，以及运算能力的加强，已经能够通过流量的计算迅速的预测未来河流上游的流量对下游的影响。然而，传统对河流流量的监测往往需要沿河道设立多个监测点，通过有人或无人监测站对河道的流量进行监测。出于成本和费用的考虑，无论是有人还是无人监测站都需要建设和维护，因此监测站不能可能设立的非常密集，特别是在一些人迹罕至的地段很难设立永久性的监测站。因此，就目前现有的技术手段，对多数河流很难建立密集有效的实时监测系统。

天然河道是水流行进的路径，其过流断面形状、纵坡、水深等水力特性是多年冲淤的结果。对于某一断面而言，随着流量的增加，过水断面的水深、水面宽和流速也会增加，由此可见，水面宽、水深和流速是河道流量变化的直观体现，它们之间存在着某种必然关系。如能建立流量与这些参变量的函数关系，就可以通过水面宽、水深或流速反演实际流量。值得关注的是水面宽这个参数，通过航拍、卫星等遥测手段即能进行监测，如能建立其与流量的函数关系式，就可以对人迹难至的地区、山洪暴雨等极端气候、溃坝泄洪等水利工况的水文学水力学特征进行远程监测和实时评估，为进行科学研究和保证生命财产安全提供了便利和指导。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种天然河道流量的定量反演方法。所述的方法利用遥测等手段对河道中水面宽度进行监测，对经过一次性测量的河道进行实时反演评估，准确地计算河流流量，实现了河流远距离实时监测。

本发明的目的是这样实现的：一种天然河道流量的定量反演方法，所述方法的步骤如下：

河道基础信息勘测的步骤：收集河流的原始资料或对河流进行实地勘测，设置一垂直于水流方向的断面为监测断面，获取监测断面某一时刻的原始参数并进行相应计算，原始参数包括：原始断面形状、原始断面水深H ₁、原始断面面积A ₁、断面湿周χ ₁、水力坡度J ₁、原始水面宽w ₁、现场糙率值n，原始断面流量Q ₁：

；

断面拟合及参数求解的步骤：使用幂函数对河道进行拟合：

y = α x ^β ，

其中：y为拟合河流断面的竖直坐标；x为拟合河流断面的水平坐标；α、β为拟合参数，根据监测断面的各个原始参数以幂函数拟合获得；

实时监测水面宽的步骤：通过遥感实时测量监测断面的水面宽度w _t ；

河道流量定量反演的步骤：通过公式计算监测断面的实时流量Q _t ：

。

进一步的，所述的原始断面面积A ₁、断面湿周χ ₁、水力坡度J ₁计算方法如下：

在监测断面上，测量河流边界与河床断面的交叉点，提取该点高程值，即为河流的原始断面水位H ₁；

测量原始断面水位同一时刻的水面宽度w ₁；

沿水面宽度w ₁以距离X _y 多点测量水深D _y ，D _y 代表第y个像元的水深，X _y 代表第y个像元的宽度；

计算过水面积A ₁：

式中：D _y 代表第y个像元的水深，X _y 代表第y个像元的宽度；

计算湿周χ ₁：

；

在距离原始断面下游L _1-2处再测量一个河流水位H ₂，以计算纵断面比降J ₁：

；

式中：L _1-2为断面1和断面2的距离。

本发明产生的有益效果是：本发明所述的方法利用遥测手段对河道的水流状态进行实时监测，对经过一次性测量的河道利用实时获取的水面宽度进行反演计算，准确地计算出当前河流流量，实现对流量的远距离实时评估。由于仅需要一次性实地测量，所设立的地面标记相对简单，费用很低，便于设立较多的监测点，而卫星和无人机等遥测手段费用也相对较低，在大幅度的提高远距离监测流量精度的前提下，降低了监测成本，这对于大范围的河流流量监测有着特别重要的意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图2是本发明的实施例一所述方法的天然河道拟合幂曲线示意图；

图3是本发明的实施例一所述的方法的实验平台示意图；

图4是本发明的实施例一所述的方法实验平台的实际断面和拟合断面示意图；

图5是本发明的实施例一所述的方法实验平台的反演流量、实测流量与水面宽的关系；

图6是本发明实施例二所述的方法的监测断面示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种天然河道流量的定量反演方法，如图1所述，方法的步骤如下：

一、河道基础信息勘测的步骤：收集河流的原始资料或对河流进行实地勘测，设置一垂直于水流方向的断面为监测断面，获取监测断面某一时刻的原始参数并进行相应计算，原始参数包括：原始断面形状、原始断面水深H ₁、原始断面面积A ₁、断面湿周χ ₁、水力坡度J ₁、原始水面宽w ₁、现场糙率值n，原始断面流量Q ₁：

（1）。

原始信息的来源有几个，一是从已经设立多年的水文站所记录的资料中获取，这个方式所获得的资料相对准确，可以从大量的资料中分析得到，是基础信息获取的最佳途径。然而，本实施例所述方法主要应用在地形比较复杂的河道上，而这样的河道通常没有水文站设立，只能通过在附近水文站所记载的资料中进行分析计算，同时辅以现场测量。而在一些人迹罕至的河道，只能采用人工在现场进行测量的方式。而本实施例所述方法正是适应复杂地形河道的反演，因此，人工现场测量是一种常用的手段。

现场测量所得到的原始数据，还要通过计算才能获得所需要参数。而所需要的参数与测量原始数据的方法有关。例如，计算原始断面流量中原始断面面积可以在枯水季节对河道地形进行精确的DEM建模，并在水量达到一定数量时由水面宽度进行反演计算得到，也可以通过精确的水流计量结合水深探测等技术手段得到较为精确的数据。在一些人迹罕至的地段，由于测量环境严酷，只能进行有限次的测量，因此可以采取在某个特定时间（以天为时间单位），对河道的某一断面进行测量，其测量的数据经过计算得到拟合所需要的原始参数。

河床糙率n是根据测量断面的河床组成及床面情况而确定，同时考虑河段平面及水流状态，包括：河段顺直或下游略有扩散，断面宽敞、规则、水流通畅的河段；河段上、下游接弯道或下游有卡口支流汇入等束水影响、复式断面河段、水流不够通畅的河段；山区峡谷河段、急弯间的河段或弯曲河段、阻塞的复式断面河段、水流曲折不畅、流向紊乱的河段；以及滩地植被情况；还包括：岸壁及岸壁植被情况等，综合进行考虑。通过这些因素的考虑，可以查阅现有的糙率表格得到测量断面的河床糙率。

二、断面拟合及参数求解的步骤：使用幂函数对河道进行拟合：

y = αx ^β （2）

其中：y为拟合河流断面的竖直坐标；x为拟合河流断面的水平坐标；α、β为拟合参数，根据监测断面的各个原始参数以幂函数拟合获得，如图2所示。

拟合方式采用最小二乘法，总之要与所拟合的河道形状尽量接近，以得到相对精确的计算数据。

以上两个步骤为预先进行的工作，经过这些工作后，监测断面的数据准备完毕。一旦需要，可以通过这些数据，以及拟合的公式得到监测断面的流量数据，供防灾减灾的应急使用。

三、实时监测水面宽的步骤：通过遥感实时测量监测断面的水面宽度w _t 。

就目前的技术手段来看，水面宽度w _t 是最容易获得的数据。因为，在通常情况下，水面宽度可以通过航拍或者卫星拍摄的照片很容易的获得。卫星照片作用一种商品，很容易得到，而现代的无人机技术的发展，使航拍变得成本十分低廉。相对于航拍，在监测断面设立无人监测站的费用要高得多，特别是在紧急情况下，无人监测站一旦出现故障，整个数据链就会断裂，甚至造成无法弥补的损失。而现代无人机能够在十分恶劣的天候下，进行航拍，即便无人机无法起飞，也可以通过时间接近的卫星照片对监测断面的水面宽度进行测算。

四、河道流量定量反演的步骤：通过公式计算监测断面的实时流量Q _t ：

。

河道过流断面的水面宽、平均水深和断面平均流速与过流水量之间可建立如下指数关系式：

（3）

（4）

（5）

式中：w为水面宽，单位：m；d为断面平均水深，单位：m；v为断面平均流速，单位：m/s；a、b、c、f、k和m均为常数。

根据流量计算原理可得如下关系：

（6）

因此，a、b、c、f、k和m满足如下关系式：

（7）

（8）

过水断面面积A的计算公式为：

（9）

由于天然宽浅河道的湿周χ近似等于河宽w，因此：

。

也就是说，

，其中：R为 水力半径。

由曼宁公式

知，

，因此，断面平均流速v与

正相关，即：

（10）

断面平均水深d的计算公式为：

（11）

因此，

。

根据上述推导知，

和

，联立方程（1）~（3）可得：

（12）

（13）

联立（12）、（13）和式（7）可得，幂函数型断面的三个指数分别为：

（14）

（15）

（16）

例如：某断面型式为2次抛物线型，即有β= 2，b = 0.231，w = a Q ^0.231。

由“实时监测水面宽的步骤”获得某一时刻t的水面宽w _t ，根据公式（3）和（13）可求得该时刻的流量Q _t ：

（17）

通过模型试验对本实施例进行校验：

试验平台如图3所示。试验平台由组装式水槽1、上游水箱2及花墙3、回水槽4及推拉式水位控制尾门5、回水管6、控制阀门7、变速泵调节系统组成，可实现流量、水位和水面宽的精确控制和数据采集。组装式水槽采用有机玻璃制作，长为17.3m，宽1.2m，高0.25m，可通过组装拆卸改变过水断面形状。变速泵调节系统包括水泵8、变频器和电磁流量计9，形成闭环控制，精确控制和监测整个系统的过水流量。水位控制尾门采用推拉式结构，通过调节推拉门的开度控制下游尾水位。

实验模型参数拟合：

影响河道过流的主要因素是重力和阻力，如果河床及边坡不变，也就是糙率一定，断面湿周是决定阻力大小的关键因素。模型试验的断面形状为复式断面，考虑湿周相似，采用幂函数式（2）进行拟合。经优化，参数α和β分别为1.65298和3.78366，河道断面型式的拟合公式为

，实际断面和拟合断面如图4所示。

实验模型流量反演：

幂函数型断面的三个指数分别为

，

，

，试验断面的计算结果为b = 0.13687、f = 0.51788和m = 0.34525。

研究共开展了9组试验。以第一组数据：流量Q ₁=0.0607 m³/s，水面宽w ₁=1.051 m作为计算基数，通过相机拍照实际标识点比对，辨识的水面宽w _t 反演其余8种工况的流量Q _t 。反演流量、实测流量与水面宽的关系如图5所示。其中，5种工况的反演流量与实测流量的误差小于10%，仅1种工况的误差大于30%，这说明本研究所提出的流量反演模型可较为准确地根据照片实际辨识的水面宽w _t 反演出实际流量Q _t 。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于参数计算的细化。本实施例所述的原始断面面积A ₁、断面湿周χ ₁、水力坡度J ₁计算方法如下：

在监测断面上，如图6所示，测量河流边界与河床断面的交叉点，提取该点高程值，即为河流的原始断面水位H ₁；

测量原始断面水位同一时刻的水面宽度w ₁；

沿水面宽度w ₁以距离X _y （y = 0，1，……，n-1）多点测量水深D _y ，D _y 代表第y个像元的水深，X _y 代表第y个像元的宽度；

计算过水面积A ₁：

式中：D _y 代表第y个像元的水深，X _y 代表第y个像元的宽度；

计算湿周χ ₁：

；

在距离原始断面下游L _1-2处再测量一个河流水位H ₂，以计算纵断面比降J ₁：

；

式中：L _1-2为断面1和断面2的距离。

本实施例所述的河道的监测断面如图6所示，这是一种较为典型的河道断面，其他类型的河道可以根据上述方法进行类似的计算。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如拟合曲线的公式、其他计算公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种天然河道流量的定量反演方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

河道基础信息勘测的步骤：收集河流的原始资料或对河流进行实地勘测，设置一垂直于水流方向的断面为监测断面，获取监测断面某一时刻的原始参数并进行相应计算，原始参数包括：原始断面形状、原始断面水深H ₁、原始断面面积A ₁、断面湿周χ ₁、水力坡度J ₁、原始水面宽w ₁、现场糙率值n，原始断面流量Q ₁：

；

断面拟合及参数求解的步骤：使用幂函数对河道进行拟合：

y = α x ^β ，

其中：y为拟合河流断面的竖直坐标；x为拟合河流断面的水平坐标；α、β为拟合参数，根据监测断面的各个原始参数以幂函数拟合获得；

实时监测水面宽的步骤：通过遥感实时测量监测断面的水面宽度w _t ；

河道流量定量反演的步骤：通过公式计算监测断面的实时流量Q _t ：

。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的原始断面面积A ₁、断面湿周χ ₁、水力坡度J ₁计算方法如下：

在监测断面上，测量河流边界与河床断面的交叉点，提取该点高程值，即为河流的原始断面水位H ₁；

测量原始断面水位同一时刻的水面宽度w ₁；

沿水面宽度w ₁以距离X _y 多点测量水深D _y ，D _y 代表第y个像元的水深，X _y 代表第y个像元的宽度；

计算原始断面面积A ₁：

式中：D _y 代表第y个像元的水深，X _y 代表第y个像元的宽度；

计算湿周χ ₁：

；

在距离原始断面下游L _1-2处再测量一个河流水位H ₂，以计算水力坡度J ₁：

；

式中：L _1-2为断面1和断面2的距离。

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