CN110207765A - 一种河流底部盲区流速测量的方法 - Google Patents

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梅军亚
杜耀东
吴琼
香天元
张莉
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赵昕
周波
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Abstract

本发明公开了一种河流底部盲区流速测量的方法，该方法包括传感器布置、动静水水位差观测和传感器表面水流流速计算方法。本发明能大幅度减小河流流速测量底部盲区范围，提高河流流量测量的精度，该方法能大幅度减少机械流速、声学流速仪所存在的水底测量盲区；该方法能有效避免声学流速仪因河底物质与水流运动不同速度，致使测量的水流流速失真问题；该方法填补了河流水底盲区测量的空白，有良好的社会效益，适合推广使用。

Description

一种河流底部盲区流速测量的方法
技术领域
本发明涉及一种河流流量测量方法，具体为一种河流底部盲区流速测量方法，属于水文测验应用技术领域。
背景技术
目前，河流流量测验常分为非接触式和接触式测验。雷达、VHF以及图像法等非接触式流量测验方法，主要通过施测水体表面流速而不涉及水体内部流速分布，计算河流流量存在大量假定和不确定性。
接触式流量测验主要分为机械方法和声学方法。机械流速仪通过水流冲击转子(旋桨或旋杯)运动测量水流速度，但机械流速仪因转子、导向等部件有较大尺寸，需离河底有一定距离，存在较大的测量盲区。声学流速仪一般采用声学多谱勒原理，常用的超声时差或水平声学多谱勒流速仪只施测某一水平层的流速，通过与断面平均流速建立相关关系推求流量，取决于相关方法流量测量的精度；走航式声学多谱勒流速仪虽然能快速测量全断面的流速分布，但在河底部分存在一定的声波盲区，同时，由于河底物质与水流速度不同，故采用声学多谱勒流速仪测量河底流速会严重失真。
随着社会对防洪、水资源管理的要求越来越高，对流量观测的精度要求也越来越高。因此，对河底盲区进行有效高精度流速测量，从而提高河流流量观测精度，需要一种可行的方法。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种河流底部盲区流速测量方法。
采用的技术方案为：一种河流底部盲区流速测量的方法，该方法包括
1)布置压力传感器；
2)观测动静水水位差；
3)基于传感器表面水流流速，计算出河流底部盲区流速。
优选的，所述步骤1)中，根据压力传感器小巧且吃水极浅的特征，利用流速测量载体将压力传感器布置在其它流速测量仪器所能施测的最低点以下，且平行于水流流线。
优选的，所述步骤2)中，将标准的水位观测方法用于静水水位观测，将压力传感器水位观测方法用于动水水位观测，将两者同时观测的水位成果相减，作为因压力传感器表面水流流速导致的动静水水位差△H。
优选的，所述步骤3)中，根据观测的动静水水位差，利用公式计算压力传感器表面的水流流速
其式中：△H为因压力传感器表面水流流速导致的动静水水头差；V为压力传感器表面水流流速；g为重力加速度；
所述压力传感器表面水流流速可代表压力传感器表面所处位置的水流流速，即相对于其它流速测量仪器底部盲区某一点的流速。
优选的，所述河流包括天然河流、渠道、湖泊或水库任意一种水体。
优选的，所述压力传感器是压阻式传感器或气泡式传感器的任一种；所述压阻式传感器表面为进水孔表面，所述气泡式传感器的表面为气室与水体交界面。
优选的，所述流速测量载体包括测深杆或铅鱼；所述压力传感器通过测深杆或铅鱼底部接近河底。
优选的，所述平行于水流流线指压力传感器与水流方向平行。并尽可能减少对水流的扰动。
优选的，所述标准的水位观测方法，且经率定验证的水位观测方法，包括但不限于水尺或电子水尺、浮子式水位计、雷达水位计方法观测。
优选的，所述压力传感器水位观测方法，指由压力传感器施测的圧强P，
由计算水深，再加上压力传感器所处位置的高程获得Z＝Z0+h；
式中：ρ为河流水的密度，h为压力传感器测量水深,Z为压力传感器测量的水位；Z0为压力传感器安装高程。
本发明的有益效果是：
1.该方法能大幅度减少机械流速、声学流速仪所存在的水底测量盲区，提高河流流量测量的精度；
2.该方法能有效避免声学流速仪因河底物质与水流运动不同速度，致使测量的水流流速失真问题；
3.该方法填补了河流水底盲区测量的空白，有良好的社会效益，适合推广使用。
附图说明
图1为常规流速仪测量底部盲区示意图；
图2为本发明中压力传感器布置示意图。
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所示，一种河流底部盲区流速测量方法，包括传感器布置方法、动静水水位差观测方法和传感器表面水流流速计算方法。
所述传感器布置方法：根据压力传感器小巧且吃水极浅的特征，利用流速测量载体将压力传感器布置在其它流速测量仪器所能施测的最低点以下，且平行于水流流线,请参阅图2所示；
所述动静水水位差观测方法：将标准的水位观测方法用于静水水位观测，将压力传感器水位观测方法用于动水水位观测，将两者同时观测的水位成果相减，作为因压力传感器表面水流流速导致的动静水水位差△H；
所述传感器表面水流流速计算方法：根据观测的动静水水位差，利用公式计算压力传感器表面的水流流速式中：△H为因压力传感器表面水流流速导致的动静水水头差；V为压力传感器表面水流流速；g为重力加速度；所述压力传感器表面水流流速可代表压力传感器表面所处位置的水流流速，即相对于其它流速测量仪器底部盲区某一点的流速。
作为本发明的一种技术优化方案，所述河流包括天然河流、渠道、湖泊、水库等各类水体。
作为本发明的一种技术优化方案，所述压力传感器包括但不限于压阻式、气泡式等形式。压阻式传感器表面为进水孔表面，气泡式传感器表面为气室与水体交界面。
请参阅图2所示,作为本发明的一种技术优化方案，针对传感器布置方法，流速测量载体包括测深杆、铅鱼，压力传感器可通过测深杆或铅鱼底部尽可能接近河底。
作为本发明的一种技术优化方案，针对传感器布置方法，所述平行于水流流线指压力传感器与水流方向平行，并尽可能减少对水流的扰动。
作为本发明的一种技术优化方案，针对动静水水位差观测方法，所述标准的水位观测方法，指满足国家《水位观测标准》，且经率定验证的水位观测方法，包括但不限于水尺或电子水尺、浮子式水位计、雷达水位计等方法观测。
作为本发明的一种技术优化方案，针对动静水水位差观测方法，所述压力传感器水位观测方法，指由压力传感器施测的圧强P，由计算水深，再加上压力传感器所处位置的高程获得Z＝Z0+h。式中：ρ为河流水的密度， h为压力传感器测量水深,Z为压力传感器测量的水位；Z0为压力传感器安装高程。
作为本发明的一种技术优化方案，针对传感器表面水流流速计算方法，所述压力传感器表面水流流速可代表压力传感器表面所处位置的水流流速，即相对于其它流速测量仪器底部盲区某一点的流速。
作为本发明的一种技术优化方案，针对压力传感器水位观测方法，所述河流水的密度，指测量时水体密度，受河流泥沙、水质的影响。
实施例
(1)传感器的布置
请参阅图2所示,将压力传感器固定在测深杆靠近底部的区域，或将压力传感器固定在铅鱼接近底部的地方，并保证压力传感器平行于水流流线。压力传感器可通过在测深杆距底部不同高度安装，或升降铅鱼实现压力传感器对于河底以上不同水深处的测量。
(2)动静水水位差观测
对于动水水位，直接采用压力传感器实测的圧强P，通过计算水深，再加上压力传感器所处位置的高程Z0获得压力传感器测量的水位Z＝Z0+h。式中：ρ为河流水的密度，h为压力传感器测量水深,Z为压力传感器测量的水位； Z0为压力传感器安装高程。
对于静水水位，采用《水位观测标准》所规定的水位观测方法，包括但不限于水尺或电子水尺、浮子式水位计、雷达水位计等方法，且经率定验证；或采用测深杆与压力传感器同步观测。
将同时观测的静水水位与动水水位成果相减，作为因压力传感器表面水流流速导致的动静水水位差△H。
(3)压力传感器表面水流流速计算
根据观测的动静水水位差△H，利用公式计算压力传感器表面的水流流速式中：△H为因压力传感器表面水流流速导致的动静水水头差；V 为压力传感器表面水流流速；g为重力加速度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于，该方法包括
1)布置压力传感器；
2)观测动静水水位差；
3)基于传感器表面水流流速，计算出河流底部盲区流速。
2.根据权利要求1所述的一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于：所述步骤1)中，根据压力传感器小巧且吃水极浅的特征，利用流速测量载体将压力传感器布置在其它流速测量仪器所能施测的最低点以下，且平行于水流流线。
3.根据权利要求1所述的一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于：所述步骤2)中，将标准的水位观测方法用于静水水位观测，将压力传感器水位观测方法用于动水水位观测，将两者同时观测的水位成果相减，作为因压力传感器表面水流流速导致的动静水水位差△H。
4.根据权利要求3所述的一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于：所述步骤3)中，根据观测的动静水水位差，利用公式计算压力传感器表面的水流流速
其式中：△H为因压力传感器表面水流流速导致的动静水水头差；V为压力传感器表面水流流速；g为重力加速度；
所述压力传感器表面水流流速可代表压力传感器表面所处位置的水流流速，即相对于其它流速测量仪器底部盲区某一点的流速。
5.根据权利要求1所述的一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于：所述河流包括天然河流、渠道、湖泊或水库任意一种水体。
6.根据权利要求1所述的一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于：所述压力传感器是压阻式传感器或气泡式传感器的任一种；所述压阻式传感器表面为进水孔表面，所述气泡式传感器的表面为气室与水体交界面。
7.根据权利要求2所述的一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于：所述流速测量载体包括测深杆或铅鱼；所述压力传感器通过测深杆或铅鱼底部接近河底。
8.根据权利要求2所述的一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于：所述平行于水流流线指压力传感器与水流方向平行。并尽可能减少对水流的扰动。
9.根据权利要求3所述的一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于：所述标准的水位观测方法，且经率定验证的水位观测方法，包括但不限于水尺或电子水尺、浮子式水位计、雷达水位计方法观测。
10.根据权利要求3所述的一种河流底部盲区流速测量的方法，其特征在于：所述压力传感器水位观测方法，指由压力传感器施测的圧强P，
由计算水深，再加上压力传感器所处位置的高程获得Z＝Z0+h；
式中：ρ为河流水的密度，h为压力传感器测量水深,Z为压力传感器测量的水位；Z0为压力传感器安装高程。
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