CN110243423A - 河道流量计算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种河道流量计算方法及系统，获取测流断面历史实测流量数据，包括测速垂线垂线平均流速横向分布数据及测流断面大断面数据；对所述测速垂线垂线平均流速横向分布数据进行处理，绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图；确定所述归一标准曲线的外包线；将当前实测的测速垂线流速数据进行归一化处理，然后与归一化标准曲线进行比对，对超出外包线的数据进行纠正，将纠正后得到的测速垂线流速数据用于河道流量计算。本发明能整体提高雷达波测流模式的流量测验成果可用性与精度。

Description

河道流量计算方法及系统
技术领域
本发明涉及河道流量计算领域，特别是一种河道流量计算方法及系统。
背景技术
河道流量是指单位时间内通过河渠或管道某一过水断面的水体体积(m3/s)。当前流量测验主要采用缆道或水文测船流速仪、走航ADCP(多普勒剖面流速仪)、浮漂(高洪)、水力学(利用堰槽和水工建筑物)、电波流速仪等方法进行。其中缆道或水文测船流速仪法是常规水文测验的主流，非接触式雷达波测流方法近几年在山区性河道、中小河流、常规测站高洪测验中得到较大应用。
缆道或水文测船流速仪测验是在河道断面内布置若干条测速垂线，依次完成各测速垂线的流速测验(一点法或多点法)，然后根据实测水位、大断面资料进行流量成果计算。
缆道或水文测船流速仪法断面流量(Q)计算方法如下：
Q----断面流量(m3/s)；
qi----第i部分流量(m3/s)；
Ai----相邻两根测速垂线间部分断面面积；
----相邻两根测速垂线中间部分的平均流速，Vmi----第i根测速垂线平均流速；
----左岸边或死水边的部分平均流速；
----右岸边或死水边的部分平均流速，α----岸边流速系数；
“非接触式雷达波测速”流量计算采用与缆道或水文测船流速仪测验相同的计算方法，区别在于各测速垂线的垂线平均流速的获取不同，对于缆道或水文测船流速仪测验来说，根据规范可以采用一点法、二点法、三点法、五点法等不同的测验方案获得测速垂线上多个测点流速，并据此计算垂线平均流速(Vmi)，对于“非接触式雷达波测速”测流方式来说，施测的流速则为各垂线位置的表面流速。
对于缆道或水文测船流速仪测验来说，由于是专业人员现场操作，而且流速测量仪器为传统流速仪，测量结果不容易出现大的误差，尤其是专业技术人员还能够根据个人经验当场对个别奇异点据进行剔除并重新施测，在此基础上计算的垂线平均流速是可信的；“非接触式雷达波测速”采用多普勒雷达测速原理(f＝ν/λ，f--频率，ν--速度，λ--波长)，测速数据容易受强暴雨、大风沙等外界因素的影响，而且实测的是测速垂线表面流速(根据比测资料可换算成垂线平均流速)，因此有可能出现较大的误差，特别是对于流速＜0.3m/s的靠近岸边部分的测速垂线，由于流速偏小(达到了仪器设备的临界测量值)、回波强度弱等原因，导致测量数据误差会更大，甚至出现错误数据。
目前采用的处理方法如下：
1、根据测站测流方案，依次进行代表垂线水面流速测速[Vm1、Vm2.....Vm(n-1)]；
2、根据实测代表垂线流速，按照图1所示方法计算断面流量。
存在问题：
1、高洪测验期间，受暴雨、突发风沙影响，垂线测速数据可能出现奇异值，通常情况下当测速垂线出现奇异值时流量计算成果明显偏大；
2、靠近岸边部分的测速垂线，流速较低，回波强度弱，测量数据容易出现异常，返回0值(无信号)，或者大值(干扰)；
3、岸边测速垂线采用“0”值计算则流量明显偏小、岸边垂线不参与计算则流量明显偏大，最终呈现的结果是实测流量过程线出现跳变。
随着“非接触式雷达波测流”技术的推广应用，针对上述情况，迫切需要一种适合“非接触式雷达波测流”模式下的河道流量计算方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种河道流量计算方法及系统，提高雷达波测流模式的流量测验成果可用性与精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种河道流量计算方法，包括以下步骤：
获取测流断面历史实测流量数据，包括测速垂线垂线平均流速横向分布数据及测流断面大断面数据；
对所述测速垂线垂线平均流速横向分布数据进行处理，绘制测站垂线平均流速归一标准曲线；
确定所述归一标准曲线的外包线；
将当前实测的测速垂线流速数据进行归一化处理，然后与归一化标准曲线进行比对，对超出外包线的数据进行纠正，将纠正后得到的测速垂线流速数据用于河道流量计算。
绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图的具体实现过程包括：
1)根据测流断面历史实测的测速垂线垂线平均流速横向分布数据与测流断面大断面数据，定位中泓位置测速垂线；
2)将各测次各测速垂线的流速归一至中泓位置测速垂线，得到各测次各测速垂线的平均流速归一值；
3)利用各测次各测速垂线的平均流速归一值计算各测速垂线的归一流速算术平均值，利用所述算术平均值绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图。
步骤3)后，还包括以下步骤：
4)利用各测次各测速垂线的流速归一值，以及各测速垂线的归一流速算术平均值绘制归一垂线平均流速横向分布图；
5)利用垂线平均流速横向分布图，找到各测速垂线平均流速归一值的最大值和最小值，分别判断该最大值和最小值与归一标准曲线之差是否大于0.15，若是，则将该测次从历史实测流量数据序列中剔除，并返回步骤3)，重新计算最终的测站垂线平均流速归一标准曲线并绘制垂线平均流速归一标准曲线图。
各测次的测速垂线流速归一值中泓；其中，i＝1，2，.....，N；N为测速垂线数量；ηi为第i根测速垂线的流速归一值，为第i根测速垂线垂线平均流速，中泓为中泓位置测速垂线平均流速。
确定所述归一标准曲线图的外包线的过程包括：根据测站类型确定归一标准曲线的外包线；所述测站类型包括一类精度站、二类精度站、三类精度站。
对于所述一类精度站、二类精度站、三类精度站，所述归一标准曲线外包线默认值分别为归一标准曲线对应的各测速垂线归一值的1±8％、1±12％、1±15％。
对于所述一类精度站、二类精度站、三类精度站，当所述归一标准曲线对应的各测速垂线最大/最小归一值在由所述默认值确定的外包线范围内时，以该测速垂线最大/最小归一值替代对应位置的外包线默认值。
相应地，本发明还提供了一种河道流量计算系统，其包括：
采集模块，用于获取测流断面历史实测流量数据，包括测速垂线垂线平均流速横向分布数据；
处理模块，用于对所述测速垂线垂线平均流速横向分布数据进行处理，绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图；
计算单元，用于确定所述归一标准曲线的外包线，并将当前实测的测速垂线流速数据进行归一化处理，然后与归一标准曲线的外包线进行比对,对超出外包线的数据,通过归一标准曲线进行纠正，将纠正后得到的测速垂线流速数据用于河道流量计算。
所述处理模块包括：
定位单元，用于根据测流断面历史实测的测速垂线垂线平均流速横向分布数据与测流断面大断面数据，定位中泓位置测速垂线；
归一计算单元，用于将各测次各测速垂线的流速归一至中泓位置测速垂线，得到各测次各测速垂线的平均流速归一值；
绘制单元，用于利用各测次各测速垂线的平均流速归一值计算各测速垂线的归一流速算术平均值，利用所述算术平均值绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图。
所述处理模块还包括：
第一处理单元，用于利用各测次各测速垂线的流速归一值，以及各测速垂线的归一流速算术平均值绘制归一垂线平均流速横向分布图；
第二处理单元，用于利用垂线平均流速横向分布图，找到各测速垂线平均流速归一值的最大值和最小值，分别判断该最大值和最小值与归一标准曲线之差是否大于0.15，若是，则将该测次从历史实测流量数据序列中剔除，并再次执行绘制单元的操作，重新计算最终的测站垂线平均流速归一标准曲线图。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1、本发明能整体提高雷达波测流模式的流量测验成果可用性与精度，特别是针对强暴雨、大风沙等突发工况导致的数据异常，以及流速＜0.3m/s的岸边测速垂线数据异常等有良好的适应能力。
2、本发明能够有效排除因暴雨、突发风沙影响导致的流速测验奇异值；此外，对于岸边测速垂线流速偏小、回波强度弱等状况导致的流量成果与标准值出现跳变的情况，也能起到较好的修恢复效果。
附图说明
图1为缆道或水文测船流速仪法流量计算示意图；
图2为归一后的垂线流速横向分布及标准曲线图；
图3为测流断面大断面及测速垂线布置图。
具体实施方式
本发明包括双轨缆道牵引式代表垂线法、自驱式代表垂线法、构筑物固定安装等多种雷达波测流方式。具体方法是以测流断面中泓位置垂线平均流速为基准，对其它测速垂线进行归一化处理，从而进行断面流量的计算。
本发明基于测流断面实测流量成果(垂线流速数据、测流断面大断面数据)，计算绘制测站垂线平均流速归一标准曲线及外包线，以此对“非接触式雷达波”测流成果数据(多根垂线表面流速数据)归一处理，从而完成“非接触式雷达波”测流方式下的流量计算。
本发明具体包括以下步骤：
步骤1，收集测流断面测流成果原始资料------“缆道测深、测速流记载及流量计算表”，整理测速垂线垂线平均流速横向分布成果表(表1)，要求相应水位涵盖高、中、低水，以中高水位为主，要求测流次数不少于25次；对于新建测站，初期人工先临时完成3～5次流量测验，整理测速垂线垂线平均流速横向分布成果表(作为初步资料临时使用，后续根据水位分级逐步完善)。
表1 XX站测速垂线垂线平均流速横向分布成果表
表2 XX站测流断面大断面成果表
步骤2，归一标准曲线计算
①根据整理的测速垂线垂线平均流速横向分布成果表(表1)及测流断面大断面成果(表2)，定位中泓位置测速垂线(本样例为起点距L＝229m)；
②将各测次的测速垂线流速归一至中泓测速垂线，(i＝1......测速垂线数量N)；ηi为第i根测速垂线的流速归一值，为第i根测速垂线垂线平均流速，中泓中泓位置测速垂线平均流速。
③根据样本资料计算测站垂线平均流速归一标准曲线，归一标准曲线各测速垂线对应数值采用全样本系列对应位置的算术平均值。计算结果见表3。
表3 XX站测速垂线垂线平均流速横向分布归一成果表
步骤3，根据表3绘制样本系列归一后的垂线平均流速横向分布图，以及测站垂线平均流速归一标准曲线图(图2所示)。----图比较直观，便于“步骤4”人工分析使用
步骤4，根据表3、图2检查分析奇异特征点，对于同一测速垂线位置最大、最小值与归一标准曲线之差大于0.15的测点进行奇异值分析(必要时舍弃)。当存在奇异值且需要舍弃时，将奇异值对应的行从表3中剔除，按照“步骤2--③”重新计算测站垂线平均流速归一标准曲线。
步骤5，确定归一标准曲线外包线
①根据测站类型(一类精度站、二类精度站、三类精度站，基本水文站的精度类别划分标准见表4)确定“归一标准曲线”外包线的默认值，分别为±8％、±12％、±15％；
②对于测站控制条件较差点据散乱的测站可适当放宽；
③当前述归一标准曲线对应的各测速垂线最大/最小归一值处于默认值确定的外包线范围内时，以该测速垂线最大/最小归一值替代对应位置的外包线默认值。如表3垂线位置为212m,其外包线的最大、最下值分别为1.0662、0.933，而归一标准曲线对应值为0.9863，其偏差分别为0.0799、0.0533，均落在±8％区间内，则采用1.0662、0.933作为外包线取值。
表4基本水文站的精度类别划分标准
步骤6，“非接触式雷达波”测流方式测速垂线流速数据的归一化处理及数据自校正。
选择“非接触式雷达波”测流数据，对测速垂线进行归一化处理，与归一化标准曲线(表2)进行比对，对超出外包线的数据,通过归一标准曲线进行纠正。归一化处理及数据自校正见表5、表6、表7、表8。
表5 XX站“非接触式雷达波”测速垂线垂线平均流速横向分布成果表
表6 XX站“非接触式雷达波”测速垂线流速归一化数据与归一标准值对比
表7 XX站“非接触式雷达波”测速垂线平均流速归一化成果表
表8 XX站“非接触式雷达波”测流流量计算成果表
步骤7，计算机编程及对“雷达波测流”自动控制的反馈。
将上述步骤进行计算机编程，实现“雷达波测流”方式下的基于测流断面中泓垂线平均流速归一算法的河道流量计算。即，将校正后的数据代入缆道或水文测船流速仪法断面流量(Q)计算公式中，计算断面流量即可。
实际应用中，除构筑物固定安装雷达波测流方式外，双轨缆道牵引式代表垂线法、自驱式代表垂线法等雷达波测流方式均是从左岸边往右岸边或者从右岸边往左岸边往返移动进行，一次测流过程完成后，调用本发明计算程序模块，从而完成最终的自动测流过程。
对于本归一算法最为重要的中泓垂线流速测量，要求分别进行2次重复测量，当2次误差超过规定指标时(5％)，进行第三次测量，采用误差较小的2次测量结果计算平均值作为最终结果。

Claims (10)

1.一种河道流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取测流断面历史实测流量数据，所述测流断面历史实测流量数据包括测速垂线垂线平均流速横向分布数据及测流断面大断面数据；
对所述测速垂线垂线平均流速横向分布数据进行处理，绘制测站垂线平均流速归一标准曲线；
确定所述归一标准曲线的外包线；
将当前实测的测速垂线流速数据进行归一化处理，然后与归一标准曲线进行比对，对超出外包线的数据进行纠正，将纠正后得到的测速垂线流速数据用于河道流量计算。
2.根据权利要求1所述的河道流量计算方法，其特征在于，绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图的具体实现过程包括：
1)根据测流断面历史实测的测速垂线垂线平均流速横向分布数据与测流断面大断面数据，定位中泓位置测速垂线；
2)将各测次各测速垂线的流速归一至中泓位置测速垂线，得到各测次各测速垂线的平均流速归一值；
3)利用各测次各测速垂线的平均流速归一值计算各测速垂线的归一流速算术平均值，利用所述算术平均值绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图。
3.根据权利要求2所述的河道流量计算方法，其特征在于，步骤3)后，还包括以下步骤：
4)利用各测次各测速垂线的流速归一值，以及各测速垂线的归一流速算术平均值绘制归一垂线平均流速横向分布图；
5)利用垂线平均流速横向分布图，找到各测速垂线平均流速归一值的最大值和最小值，分别判断该最大值和最小值与归一标准曲线之差是否大于0.15，若是，则将该测次从历史实测流量数据序列中剔除，并返回步骤3)，重新计算最终的测站垂线平均流速归一标准曲线并绘制垂线平均流速归一标准曲线。
4.权利要求2所述的河道流量计算方法，其特征在于，各测次的测速垂线流速归一值其中，i＝1，2，.....，N；N为测速垂线数量；ηi为第i根测速垂线的流速归一值，为第i根测速垂线垂线平均流速，为中泓位置测速垂线平均流速。
5.权利要求2～4之一所述的河道流量计算方法，其特征在于，确定所述归一标准曲线的外包线的过程包括：根据测站类型确定归一标准曲线的外包线；所述测站类型包括一类精度站、二类精度站、三类精度站。
6.权利要求5所述的河道流量计算方法，其特征在于，对于所述一类精度站、二类精度站、三类精度站，所述归一标准曲线外包线默认值分别为归一标准曲线对应的各测速垂线归一值的1±8％、1±12％、1±15％。
7.权利要求6所述的河道流量计算方法，其特征在于，对于所述一类精度站、二类精度站、三类精度站，当所述归一标准曲线对应的各测速垂线最大/最小归一值在由所述默认值确定的外包线范围内时，以该测速垂线最大/最小归一值替代对应位置的外包线默认值。
8.一种河道流量计算系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于获取测流断面历史实测流量数据，包括测速垂线垂线平均流速横向分布数据；
处理模块，用于对所述测速垂线垂线平均流速横向分布数据进行处理，绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图；
计算单元，用于确定所述归一标准曲线的外包线，并将当前实测的测速垂线流速数据进行归一化处理，然后与归一标准曲线的外包线进行比对,对超出外包线的数据,通过归一标准曲线进行纠正，将纠正后得到的测速垂线流速数据用于河道流量计算。
9.根据权利要求8所述的河道流量计算系统，其特征在于，所述处理模块包括：
定位单元，用于根据测流断面历史实测的测速垂线垂线平均流速横向分布数据与测流断面大断面数据，定位中泓位置测速垂线；
归一计算单元，用于将各测次各测速垂线的流速归一至中泓位置测速垂线，得到各测次各测速垂线的平均流速归一值；
绘制单元，用于利用各测次各测速垂线的平均流速归一值计算各测速垂线的归一流速算术平均值，利用所述算术平均值绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图。
10.根据权利要求9所述的河道流量计算系统，其特征在于，所述处理模块还包括：
第一处理单元，用于利用各测次各测速垂线的流速归一值，以及各测速垂线的归一流速算术平均值绘制归一垂线平均流速横向分布图；
第二处理单元，用于利用垂线平均流速横向分布图，找到各测速垂线平均流速归一值的最大值和最小值，分别判断该最大值和最小值与归一标准曲线之差是否大于0.15，若是，则将该测次从历史实测流量数据序列中剔除，并再次执行绘制单元的操作，重新计算最终的测站垂线平均流速归一标准曲线。
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