CN110906992A - 基于水平adcp施测垂线流速分布的河流流量测量方法 - Google Patents

基于水平adcp施测垂线流速分布的河流流量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，该河流流量测量方法包括如下步骤：1)水平ADCP横向水平测线布置；2)垂向测速垂线测点流速的获取；3)垂向测速垂线流速分布参数拟合；4)测流断面流量的计算。与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：该方法通过移动水平ADCP，能将水平代表相关法转换为成熟的河流流量测量方法，提高了流量测量精度；该方法可避免部分流流水平ADCP代表线选择难题，提高了水平ADCP测量方法的适用范围；该方法能指导水平ADCP的频率选择。

Description

基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法
技术领域
本发明公开了一种河流流量的测量方法，具体涉及到一种基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，属于水文测验应用技术领域。
背景技术
ADCP(Acoustic Doppler Current Profilers)，中文名为声学多普勒流速剖面仪，所谓水平ADCP是将ADCP横向水平安装，通过测量河流横向水平方向的流速分布，借助水平ADCP实测流速与流速仪或走航式ADCP实测断平均流速的相关关系推求河流流量。
然而，水平ADCP横向流速受水位变幅、代表线位置和横向实测区间大小等因素影响，横向流速代表线的选择较难掌握，一直影响到水平ADCP的精度控制及推广使用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，该河流流量测量方法能够充分利用水平ADCP施测的横向流速分布，将其转换为垂向垂线的流速分布或平均流速，再采用《河流流量测验规范》(GB50179)推荐的流量测量计算方法，从而能够有效提高河流流量测量精度。
本发明提供如下技术方案：一种基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，该河流流量测量方法包括如下步骤：
1)水平ADCP横向水平测线布置；
2)垂向测速垂线测点流速的获取；
3)垂向测速垂线流速分布参数拟合；
4)测流断面流量的计算。
优选的，所述步骤1)中，根据河流特点和前期流速仪或走航ADCP流量测量成果，选择不少于垂线流速分布参数n的横向水平测线布置水平ADCP，所有横向水平测线均位于测流断面。
优选的，所述步骤2)中，依据水平ADCP施测的n条横向水平流速分布，摘取m条位于垂向测流垂线的测点流速Vij，其中，i＝1、2、3…n,j＝1、2、3…m。
优选的，所述步骤3)中，依据第j垂向测速垂线的测点流速Vij，按先期优选确定的垂线流速分布，构建方程组并最优求解参数,拟合第j垂向流速垂线的流速分布方程，推求所有m条垂线流速分布方程。
优选的，依据拟合的所有垂线流速分布方程，计算垂向测速垂线的平均流速
Figure BDA0002291068400000021
或用加权计算平均垂线平均流速的测点流速，进而采用《河流流量测验规范》计算测流断面流量。
优选的，所述河流包括但不限于天然河道、人工渠道、湖泊或水库任一水体。
优选的，所述横向水平测线布置水平ADCP包括但不限于多台ADCP固定布置、一台ADCP移动布置以及组合布置方式。
优选的，所述垂线流速分布包括但不限于对数流速分布、指数流速分布或抛物线流速分布；所述垂线流速分布通过河流断面的流速仪或走航ADCP流量测量成果分析得出。
优选的，所述横向水平流速分布指由水平ADCP施测的沿河宽方向的众多测点流速集合。
优选的，所述最优求解参数采用最小二乘法和极大似然法中的方法，其中，所述最小二乘法和极大似然法包括但不限于梯度下降法、牛顿法和拟牛顿法、共轭梯度法、神经网络、粒子群以及遗传算法。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)该方法通过移动水平ADCP，能将水平代表相关法转换为成熟的河流流量测量方法，提高了流量测量精度；
2)该方法可避免部分流流水平ADCP代表线选择难题，提高了水平ADCP测量方法的适用范围；
3)该方法能指导水平ADCP的频率选择。
附图说明
图1是本发明基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法原理图。
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。
如图1所示：一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，该在线测量方法包括如下步骤：
第一：水平ADCP横向水平测线布置。根据河流特点和前期流速仪或走航ADCP流量测量成果，选择不少于垂线流速分布参数n的横向水平测线布置水平ADCP，所有横向水平测线均位于测流断面。
第二：垂向测速垂线测点流速的获取。依据水平ADCP施测的n条横向水平流速分布，摘取m条位于垂向测流垂线的测点流速Vij，其中，i＝1、2、3…n,j＝1、2、3…m。
第三：垂向测速垂线流速分布参数拟合。依据第j垂向测速垂线的测点流速Vij,按先期优选确定的垂线流速分布，构建方程组并最优求解参数,拟合第j垂向流速垂线的流速分布方程，尽可能推求所有m条垂线流速分布方程。
第四：测流断面流量的计算。依据拟合的所有垂线流速分布方程，计算垂向测速垂线的平均流速
Figure BDA0002291068400000041
或用加权计算平均垂线平均流速的测点流速，进而采用《河流流量测验规范》计算测流断面流量。
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，所述横向水平测线布置水平ADCP，包括但不限于多台ADCP固定布置、一台ADCP移动布置以及组合布置方式。
作为本发明的一种技术优化方案，所述垂线流速分布，包括但不限于对数流速分布、指数流速分布、抛物线流速分布，由该河流断面的流速仪或走航ADCP流量测量成果分析得出。
作为本发明的一种技术优化方案，所述横向水平流速分布指由水平ADCP施测的沿河宽方向的众多测点流速集合。
作为本发明的一种技术优化方案，所述最优求解参数，可采用最小二乘法、极大似然法中的各种方法，包括但不限于梯度下降法、牛顿法和拟牛顿法、共轭梯度法、神经网络、粒子群、遗传算法各类优化算法。
实施例
(1)布置水平ADCP横向水平测线
根据河流特点和前期流速仪或走航ADCP流量测量成果，分析测验断面所有垂向垂线流速分布类型，包括但不限于对数流速分布、指数流速分布、抛物线流速分布。选择不少于垂线流速分布参数n的横向水平测线布置水平ADCP，所有横向水平测线均位于测流断面。
以对数流速分布为例，垂线流速分布见下式
Figure BDA0002291068400000042
式中：vij为位于第i水平测线与第j垂向测速垂线的测点流速；
Figure BDA0002291068400000051
为第j垂向测速垂线的平均流速；
ηij为vij对应测点在第j垂向测速垂线的相对水深。
Figure BDA0002291068400000052
Hij为为vij对应测点的水深；
Hj为第j垂向测速垂线的水深。
其中，vij、Hij、Hj由测量数据，ηij由Hij、Hj计算而得，对数流速分布有Aj、Bj、
Figure BDA0002291068400000053
三个未知参数，为使方程可解，故对数流速分布应布置不少于3条的ADCP横向水平测线。
水平ADCP可沿河岸或水文观测平台全部固定布置，也可采用一台水平ADCP移动布置，或以上方式的组合布置。水平ADCP可安装在天然河道、人工渠道、水库、湖泊等水体。
(2)获取垂向测速垂线测点流速
依据水平ADCP施测的n条横向水平流速分布，摘取所有位于垂向测流垂线的测点流速vij,(i＝1,2…n；j＝1,2…m)。
(3)拟合垂向测速垂线流速分布
依据第j垂向测速垂线的测点流速vij,(i＝1,2…n),按已先期优选确定的垂线流速分布，构建方程组并最优求解参数,拟合第j垂向流速垂线的流速分布方程，尽可能推求所有m条垂线流速分布方程。
仍以对数流量分布为例，假定布置了3条水平测线，则第j条测速垂线可建立如下方程组：
Figure BDA0002291068400000054
Figure BDA0002291068400000061
Figure BDA0002291068400000062
其中，
Figure BDA0002291068400000063
上述方程组可采用最小二乘法、极大似然法中的各种方法，包括但不限于梯度下降法、牛顿法和拟牛顿法、共轭梯度法、神经网络、粒子群、遗传算法各类优化算法，最终确定Aj、Bj、
Figure BDA0002291068400000064
三个参数。
(4)计算河流断面流量
依据拟合的所有垂线流速分布方程，采用垂向测速垂线的平均流速
Figure BDA0002291068400000065
按《河流流量测验规范》推荐的方法计算测流断面流量：
Figure BDA0002291068400000066
式中：Dj为第j垂向流速垂线与第j-1垂向流速垂线的断面宽。
亦可先求出用于加权计算垂线平均流速的测点流速，用十一点、五点、三点、二点、一点法中的方法重新计算垂线平均流速，再由《河流流量测验规范》推荐的方法计算测流断面流量。
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)

1.一种基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于，该河流流量测量方法包括如下步骤：
1)水平ADCP横向水平测线布置；
2)垂向测速垂线测点流速的获取；
3)垂向测速垂线流速分布参数拟合；
4)测流断面流量的计算。
2.根据权利要求1所述的基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，根据河流特点和前期流速仪或走航ADCP流量测量成果，选择不少于垂线流速分布参数n的横向水平测线布置水平ADCP，所有横向水平测线均位于测流断面。
3.根据权利要求2所述的基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于：所述步骤2)中，依据水平ADCP施测的n条横向水平流速分布，摘取m条位于垂向测流垂线的测点流速Vij，其中，i＝1、2、3…n,j＝1、2、3…m。
4.根据权利要求3所述的基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，依据第j垂向测速垂线的测点流速Vij，按先期优选确定的垂线流速分布，构建方程组并最优求解参数,拟合第j垂向流速垂线的流速分布方程，推求所有m条垂线流速分布方程。
5.根据权利要求4所述的基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于：所述步骤4)中，依据拟合的所有垂线流速分布方程，计算垂向测速垂线的平均流速
Figure FDA0002291068390000011
或用加权计算平均垂线平均流速的测点流速，进而采用《河流流量测验规范》计算测流断面流量。
6.根据权利要求1所述的基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于：所述河流包括但不限于天然河道、人工渠道、湖泊或水库任一水体。
7.根据权利要求1所述的基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于：所述横向水平测线布置水平ADCP包括但不限于多台ADCP固定布置、一台ADCP移动布置以及组合布置方式。
8.根据权利要求1所述的基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于：所述垂线流速分布包括但不限于对数流速分布、指数流速分布或抛物线流速分布；所述垂线流速分布通过河流断面的流速仪或走航ADCP流量测量成果分析得出。
9.根据权利要求3所述的基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于：所述横向水平流速分布指由水平ADCP施测的沿河宽方向的众多测点流速集合。
10.根据权利要求4所述的基于水平ADCP施测垂线流速分布的河流流量测量方法，其特征在于：所述最优求解参数采用最小二乘法和极大似然法中的方法，其中，所述最小二乘法和极大似然法包括但不限于梯度下降法、牛顿法和拟牛顿法、共轭梯度法、神经网络、粒子群以及遗传算法。
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