CN110986892A - 一种径流流速与流量监测方法、监测装置和监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径流流速与流量监测方法、监测装置和监测系统。所公开的检测方法是将设有用于感应径流冲力的监测面的感应装置设置在径流中，所述监测面迎着径流方向并且与径流接触；采用

计算径流流速V；所公开的装置包括感应装置和径流冲力测量装置，所述感应装置上设有用于感应径流冲力的监测面，所述径流冲力测量装置用于测量径流作用在监测面上的冲力。所公开的检测系统是采用自动化数据采集和分析的手段或互联网技术的系统化检测装置。本发明是基于辨析径流物理过程与经典力学中的动量定理关系的一种新的径流流速检测方法，监测手段便捷且准确率高。

Description

一种径流流速与流量监测方法、监测装置和监测系统

技术领域

本发明涉及径流监测技术，具体涉及一种径流流速与流量的检测方法、检测装置和检测系统

背景技术

近年来，随着电子技术和传感技术的迅猛发展，国内外测量水流流速和流量的仪器设备越来越多，应用较多的有转子流速仪、多普勒流速仪、粒子图形流速仪、电磁流速仪等。但是目前这些仪器设备多应用在河道水流监测，而沟道径流监测则是借鉴农田水利明渠流量测量方法，例如薄壁三角量水堰、巴歇尔槽等。现就其原理、技术、仪器设备和效果进行比较分析。其中：

转子流速仪是我国使用最早的河流流速仪，是通过机械转子结构随水流的运动旋转转速来获得流速的仪器，按仪器结构，通常分为旋浆流速仪和旋杯流速仪(董刚,2000；杨汉塘,2002；张石娃等,2003)。从技术指标上看，转子式流速仪能适应大多数河流的流速、流量测验任务，但由于其测流部件为机械结构，在实际使用中还存在一定局限性：①漂浮物较多或水草较多情况下，容易破坏转子机械部件；②无法测量超高或极低流速；③在含沙量高的深水水域，高水压下会导致泥沙进入轴承腔，从而引发仪器故障；④接触式测量对于流速变化过快的断面，同步捕捉能力较差；⑤大范围快速流速测验效率较低，需要多船多人协同。.

声学多普勒流速仪(AcousticDoppler Current Profiler,ADCP)：主要是向水中发射声波，通过测量随水流运动的悬浮粒子反射声波的多普勒频移来得到水流的速度(郑念发等,2010；鲁青等,2011)。ADCP具有流速分辨率高、测流响应速度快、剖面式测量效率高、不存在泥沙堵塞和水草缠绕问题，可维护性较好等优点。但在实际使用中仍存在一定局限性：①表层盲区绝大多数ADCP的声学换能器在发射脉冲后余震不能立即消除；②高泥沙浓度水体对声波的反射和散射能量过大；③岸坡或水底起伏坡度较大的水域，会遮挡或影响2个或2个以上的波束的数据，造成流速无法解算。

超声多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimetry,ADV)：主要是通过发射换能器产生超声波，以一定的方式穿过流动的流体，通过接收换能器转换成电信号，并根据多普勒频移原理计算出相应的二维或三维流速分量，从而得到流速和流向(Kouame et al.,2003；Murakawa et al.,2003)。但是在水中，声速主要是温度和水的含盐度的函数，它们的变化将引起声速的变化，进而影响ADV的测量误差(吴新生等,2011)。另一方面，当挟沙水流浓度达到15kg/m³时，ADV已不能确定测点的位置，无法测量流速和流量(林鹏和陈立,2000)。

激光多普勒流速仪(Laser Doppler Velocimetry,LDV)：它运用入射光射到运动的粒子后，散射光的频率发生变化，入射光与散射光的频率差与运动粒子速度有关的原理实现流速的测定(Kitade,2002；So et al.,2002)。虽然LDV技术从原理上说属于非接触式测量，测量过程对流场本身没有干扰，然而必须注意到，测量直接得到的是颗粒的运动速度，而非流体速度，即存在所谓跟随性的问题(Milbocker et al.,1991)。从流场测量方式来说，LDV是点测量方法，对空间结构变化的反映无能为力，并且该系统结构复杂，造价昂贵，应用受到一定的限制。

粒子图像流速仪(Particle Image Velocimetry,PIV)是通过拍摄并测量流场中跟随流体运动的颗粒(示踪粒子)的速度来反映流场速度的。PIV技术突破了空间单点测量技术的局限性，可在瞬间记录下一个平面内的流动信息(Grant and Qiu,1990；Hashimotoet al.,2012)。通过对连续多个瞬态速度场和涡量场的对比和分析，可以深入研究非定常流动的瞬态过程及其流动细节，具有空间分辨力高、获取信息量大、不干扰被测流场和可连续测量等强大优势。但是该技术仍存在一定的局限性：①测量的只是颗粒的运动速度；②造价昂贵，使用条件苛刻，不便于野外试验；③多用于测量清水的速，用于含泥沙水流流速测定的可行性与准确性仍值得探讨；④由于图像采集和处理速度仍然受到限制，PIV系统的时间采样频率仍然不能与多普勒相比。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的之一是提供一种径流流速监测方法。

本发明的径流流速监测方法包括：将设有用于感应径流冲力的监测面的感应装置设置在径流中，所述监测面迎着径流方向并且与径流接触；采用式(1)计算径流流速V：

式(1)中，F为监测面感应到的径流冲力，ρ为径流液体密度，S为监测面上接触径流区域的面积。

具体的，本发明的方法可选择采用安装在感应装置合理位置上的扭矩传感器测量监测面感应到的径流冲力F。

具体的，本发明的方法还包括可在多个不同位点检测径流流速，计算多个位点径流流速的平均值。

具体的，本发明的方法还可在多个时刻监测径流流速监测，采用式(2)计算监测时间段内的平均径流流速V：

v_n为监测时间段内第n个时刻的径流流速，N为大于等于2的自然数。

基于上述方法，本发明的目的之二是提供一种径流流量监测方法，本发明的径流流量监测方法包括采用式(3)计算径流流量Q：

Q＝V×M (3)

V为采用本发明的方法监测到的径流流速；M为过流断面面积。

本发明的目的之三是一种径流监测装置。

本发明的该径流监测装置包括感应装置和径流冲力测量装置，所述感应装置上设有用于感应径流冲力的监测面，所述径流冲力测量装置用于测量径流作用在监测面上的冲力。

具体的，本发明的所述感应装置包括支撑杆和设在支撑杆上的监测面。

具体的，本发明所述感应装置为板状结构，该板状结构的一侧平面为监测面。

具体的，本发明所述径流冲力测量装置安装在感应装置的顶端。

具体的，本发明的径流监测装置还包括径流冲力传递装置，所述径流冲力传递装置用于将监测面感应到的径流冲力传递给径流冲力测量装置，所述感应装置安装在所述径流冲力传递装置上，所述径流冲力测量装置与所述径流冲力传递装置连接。

更具体的，本发明的装置包括多个感应装置，所述多个感应装置安装在所述径流冲力传递装置上。

具体的，本发明的径流冲力传递装置包括杆状件，所述径流冲力测量装置安装在杆状件的端部。

一些实施方式中，本发明的径流监测装置还包括一过流槽，该过流槽主要用于规范径流断面，便于准确测量径流断面面积，计算径流量；所述过流槽包括槽底和两侧的侧壁，所述感应装置安装于径流槽中。

进一步的方案中，本发明的径流槽底沿径流方向设置有凹槽。

具体的，本发明的径流冲力检测装置包括扭矩传感器。

同时，本发明还提供一种径流监测系统。

所提供的径流监测系统包括径流监测装置、水位检测装置、数据存储与处理装置和人机交互装置；

所述径流监测装置用于监测径流的流速与流量，输出径流冲力；

所述水位监测装置用于监测径流水位的高低，输出水位高低值；

数据存储与处理装置用于存储系统的数据，并根据根据径流检测装置与水位监测装置检测的数值计算径流流速或/和径流流量，并输出给人际交互装置。

与现有技术相比，本发明的效果：

(1)本发明为冲量式径流流速监测，是基于辨析径流物理过程与经典力学中的动量定理关系提出的一种新的径流流速检测方法，具体一种基于水位高度和径流冲力的冲量式径流流速监测技术，其监测手段便捷且准确率高。

(2)本发明可实现径流监测网络化及可视化，运用无线互联网技术，进行多点位组网监测，解决过流断面径流流速和径流量的时空异质性；运用计算机可视化技术，准确分析并实时表达多点位的径流来源、强度和动态变化。

附图说明

图1为径流冲力测试原理示意图；

图2为本发明装置的一种实施方式示意图；

图3为图2示装置的使用参考图；

图4为本发明装置监测结果与现有技术效果对比图

图5为本发明装置一种具体实施方式的工作流程图。

具体实施方式

径流是指流域内自降雨开始到水量流出流域出口断面的整个物理过程。该过程是大气降水和流域自然地理条件综合作用的产物。当土壤含水量达到饱和或降水强度大于入渗强度时，继而形成径流。

用于感应径流冲力的监测面可以根据字面意思理解为径流流体冲击在监测面上所产生的冲击力或冲力被监测面感应到，其中的“感应”是指感知到、接触到、接收到或被作用到对象物后作出相应反应，具体为监测面感知到、接触到、接收到或被作用到径流冲力后将冲力传输出去；“监测面”需能感应到径流冲力，具体实施手段可以为但不限于平面。监测面迎着径流方向可以根据字面意思理解为与监测面与径流方向相对。

本发明式(1)、(2)和(3)是通过分析径流物理过程得到的：根据径流物理过程可知，径流冲量等于径流动量变化量，因此，径流在流动时会产生不同大小的冲量，该冲量的大小等于径流冲力在时间上的累积：FΔt，也等于径流动量的变化量：mΔv，即FΔt＝mV_t-mV_t′，其中F为径流冲力，Δt为径流作用时间，m为产生冲力的径流质量(或感应装置接收到的径流质量)，V_t为t时刻的瞬时径流流速，V_t′为t′时刻的瞬时径流流速；

当径流冲击到冲力感应装置后，其即时流速消减为0m/s(V′_t＝0)，则FΔt＝mV_t；

已知：m＝ρv、v＝S(V_tΔt)，得FΔt＝ρSV_t ²Δt，该式进行转换可表达为：

其中ρ为径流液密度，v为径流液体积，S为径流冲力监测面淹水面积(即监测面上直接与径流接触的面积)。

在实地监测时，径流冲力F被感应装置感应到后为可转化为感应装置的扭力值，可得

如图3所示，扭矩T是垂直方向的扭力F与力臂L的乘积，力臂L为径流冲力传输装置的几何中心与冲力感应板淹水部分几何中心的距离。其中扭矩可采用径流冲力监测装置测量，该装置的核心器件是扭矩传感器或可实现径流冲力测量的整体电路。

进一步，针对径流流速时空异质性，需要对径流流速进行多点位或/和多为点动态监测。利用测得的过流断面瞬时径流流速，通过加权平均计算断面平均径流流速，即，

径流流量Q＝V×M，M为过流断面面积，过流断面面积是指径流流体水位高度与径流宽度的乘积，M＝H×W，H为径流水位高度；W为径流宽度。径流水位高度可人工测量或采用电子设备如位传感器测得。

优选的方案中，为确保监测结果的准确性，需对径流液密度取值进行选择：如果径流液为常流水，本发明径流液密度ρ可以按照水的密度取值，除此之外，径流液密度可采用相关监测仪器自动监测，如采用具有泥沙实时自动监测功能仪器测得的泥沙含量计算径流液密度。进一步具体的，在泥沙含量较低的情况下(≤100kg/m³)，可以用水的密度代替径流液密度计算径流流速，但是在高含沙量情境下(≥200kg/m³)，需要进行泥沙含量的测定。

实施例1：

具体实施方式中，如图1所示，本发明的径流监测装置主要包括径流冲力感应装置1和径流冲力测量装置2，通过感应装置上所设的监测面感应径流冲力后反馈给径流冲力测量装置，监测到具体的径流冲力值。

在一些实施方式中，感应装置与径流冲力测量装置的安装位置关系可以是径流冲力测量装置安装在感应装置的顶端，在实际测量时，如径流过宽或过大，可在径流中的多个监测位点处安装该监测装置。还可以选择的方式是，感应装置通过径流冲力传递装置3与径流测量装置连接，监测面感应到的径流冲力通过径流冲力传递装置传递给径流冲力测量装置，在选用该结构的径流测量装置时，径流测量装置可安装在径流冲力传递装置的端部或其他合适的位置上并且可选择位于陆地，方便采集检测数据。其中的径流冲力传递装置可选用杆状结构，具体通过一杆状件将冲力传递给测量装置。在监测径流较宽的径流时，可在一径流冲力传递装置上安装多个感应装置，此时径流冲力则是由测得的扭矩值之和除以感应板受力力臂所得，例如：3个感应杆时，公式

中，F为3个感应杆的扭矩值之和除以力臂，S是3个感应杆上接触面积之和。

一些实施方式中，感应装置可选择由一支撑杆和支撑杆上设的监测面组成，或者选用一板状结构，该板状结构的一侧面充当监测面。监测面的具体高度、宽度及材质根据监测径流的径流量确定，应确保监测结果准确并且可持续进行测量工作。对于径流量变化范围较大、径流冲力各异的情况，以及因需长时间被径流冲击作用，感应装置形变和其对径流流态的扰动，设计时需考虑感应装置尤其是感应面及其支撑件的尺寸、形状和材质。可选的感应装置设计成板状感应板，感应板长度尺寸可选0.5m、1.0m或1.5m，宽度尺寸可选20mm；形状可设置为T形；材质可选择钛合金，避免发生形变。T形感应杆与径流传输杆可采用嵌套连接，并用螺丝加固。

上述装置中的径流冲力测量装置主要包括扭矩传感器或可以实现检测采集感应装置感应到的径流冲力的电路。在具体装置中，扭矩传感器与径流冲力传输装置或感应装置连接，连接方式需保证所有连接无形变，实现冲力的无损传输和感应；一种具体的连接方式如：可采用扭矩传感器一端与径流冲力传输装置法兰盘连接。其中扭矩传感器可选用NS系列扭矩传感器测量。实际监测过程中，为了增加仪器的普适性，涵盖所有的径流流速和流量范围，根据水流大小选择合适型号的扭矩传感器(例如：NS-2、NS-5、NS-10、NS-20、NS-50型号传感器，量程分别为0-2NS、0-5NS、0-10NS、0-20NS和0-50NS，监测频率均为50次/s)。实际监测时，还可采用水位传感器检测水位；一些具体实施方式中，可选用雷达水位传感器。

为了兼顾径流大小的宽泛性(例如：每分钟几升到数千升)，上述径流检测装置外部设置过流槽，以规范径流断面，便于准确测量径流断面面积，计算径流量。一种具体结构如图2所示，整体装置包括外形为矩形的过流槽4，过流槽顶部及前后侧均为敞口，过流槽顶部安装有径流冲力传输杆，并且径流冲力传输杆轴向与过流槽轴向垂直，三根感应杆等间距垂直安装在径流冲力传输杆上，同时三根感应杆位于过流槽中，并且与过流槽底面不接触，可选择保留0.2-0.5cm的间隙，防止泥沙淤积带来的测量误差。扭矩传感器安装在径流冲力传输杆端部。为自动监测水位，过流槽的内壁安装有水位传感器。

同一个沟道既会出现暴雨引发洪水时每分钟数千升的径流量，也会出现非降雨期每分钟几升的常流水流量。因此，过流槽的设计必须适应不同大小径流量对流速监测的需求。过流槽的形状、长、宽、高根据径流大小及高度确定，优选矩形过流槽，一些具体实施方式中，可选择长×宽×高分别为5.0m×1.0m×0.5m、5.0m×2.0m×1.0m、5.0m×3.0m×1.5m的过流槽，这三种尺寸分别适用的径流流量范围约为0.65-5000m³/h、1.30-20000m³/h、2.43-45000m³/h，选择这些尺寸组合是，依据过流槽大小分别安装1、3或5个感应板。

为了监测小流量的常流水，提高测量结果的准确性和可靠性，在过流槽底部沿径流方向设置矩形凹槽5，其宽度根据径流量大小确定，该凹槽的作用是为了监测小流量的常流水时，提高测量结果的准确性和可靠性。

另一方面，暴雨引发洪水时不仅径流量急剧增大，而且泥沙含量也急剧增大，泥沙在流经过流槽时沉积和粘附也随之增大，同时，静置状态下极易出现泥沙颗粒的沉积和粘附。为了防止泥沙颗粒在过流槽的沉积和粘附，对过流槽设置2°的倾斜角，同时在过流槽末端设置跌坎，保持水位差≥30mm，保证径流排放畅通，避免泥沙沉积和粘附带来的测量误差。

在采用过流槽规范径流断面时，需使径流全部通过过流槽，这样就能保证根据测得的流速、水深和过流断面准确计算流量，野外安装时，选择或修葺一个平稳的地面放置安装过流槽，保证过流槽在径流冲力作用下稳定即可。此方案下，测得的径流流速是指通过过流槽中的径流流速，公式Q＝V×M中的M是过流槽中的水深乘以过流槽的宽度。

实施例2：

该监测仪主要是完成对沟道径流流速和水位的测量，由过流槽4、径流冲力感应板1及传输装置3、扭矩传感器2、水位传感器6、站点/数据采集显示装置7及后端管理平台。图2所示径流监测装置中过流槽尺寸长×宽×高为5.0m×1.0m×0.5m，过流槽底部沿径流方向设置矩形凹槽5，其宽度为过流槽宽度的1/5；三根感应板尺寸均为：长×宽为0.5m×20mm，形状为T形，材质为钛合金，扭矩传感器量程为0-50NS。

性能检测：利用径流模拟发生装置(CN 109556668 A公开的装置)模拟不同流量的清水发生条件，该装置的流量调节范围为10-1000m³/h，调节精度0.01m³/h。模拟实验利用径流模拟发生装置自带的电磁流量计控制清水流量水平，清水流量分别控制在50、100、200、300、400、500、600和700m³/h。在径流模拟发生装置末端安装本发明装置，测量径流流速，并计算流量。为了检测本发明装置测量结果的准确性，把本发明装置测得的流速和流量结果分别与漂浮物法测得的流速和电磁流量计测得的流量结果进行比较分析。结果表明(图4)，无论是流速还是流量，漂浮物流速和电磁流量计流量与本发明装置测得的流速和流量回归系数均接近1，相关系数高达0.99以上，并且本发明装置测得的流速稍微高于漂浮物流速，这可能是由于漂浮物法测得的流速仅为水体表面流速造成的。

实施例3：

该实施例是基于本发明的径流监测装置在网络平台上进行径流数据监测，整套系统包括上述径流监测装置、水位监测装置，数据存储和处理装置及人机交互装置；水位监测装置主要包括水位传感器，主要是完成水位监测，结合径流流速和过流断面面积计算断面径流量(水位传感器采集的数据是水位高度，即H)。

具体监测时，径流冲力感应装置受到径流冲击，该冲力经冲力传输装置到达扭矩传感器，与此同时，由水位传感器监测实时水位。根据监测到的扭矩参数，结合水位参数和过流断面面积参数计算径流流速和径流量，装置整体工作流程如图5所示。

在更进一步的方案中，还可以基于“互联网+”框架建立适用于从一台监测设备到无数台监测设备的径流流速和径流量管理平台。通过开发站点管理、用户管理、远程数据接收、数据计算与汇编、数据可视化等功能模块，为使用者提供便捷的监测站点/数据管理。

Claims (14)

1.一种径流流速监测方法，其特征在于，将设有用于感应径流冲力的监测面的感应装置设置在径流中，所述监测面迎着径流方向并且与径流接触；采用式(1)计算径流流速V：

式(1)中，F为监测面感应到的径流冲力，ρ为径流液体密度，S为监测面上接触径流区域的面积。

2.如权利要求1所述的径流流速监测方法，其特征在于，采用安装在感应装置合理位置上的扭矩传感器测量监测面感应到的径流冲力F。

3.一种径流流量监测方法，其特征在于，采用式(3)计算径流流量Q：

Q＝V×M (3)

V为采用权利要求1、2或3监测到的径流流速；

M为过流断面面积。

4.一种径流监测装置，其特征在于，该径流监测装置包括感应装置和径流冲力测量装置，所述感应装置上设有用于感应径流冲力的监测面，所述径流冲力测量装置用于测量径流作用在监测面上的冲力。

5.如权利要求4所述的径流监测装置，其特征在于，所述感应装置包括支撑杆和设在支撑杆上的监测面。

6.如权利要求4所述的径流监测装置，其特征在于，所述感应装置为板状结构，该板状结构的一侧平面为监测面。

7.如权利要求4、5或6所述的径流监测装置，其特征在于，所述径流冲力测量装置安装在感应装置的顶端。

8.如权利要求4所述的径流监测装置，其特征在于，该径流监测装置还包括径流冲力传递装置，所述径流冲力传递装置用于将监测面感应到的径流冲力传递给径流冲力测量装置，所述感应装置安装在所述径流冲力传递装置上，所述径流冲力测量装置与所述径流冲力传递装置连接。

9.如权利要求8所述的径流监测装置，其特征在于，所述装置包括多个感应装置，所述多个感应装置安装在所述径流冲力传递装置上。

10.如权利要求8或9所述的径流监测装置，其特征在于，所述径流冲力传递装置包括杆状件，所述径流冲力测量装置安装在杆状件的端部。

11.如权利要求4或8所述的径流监测装置，其特征在于，所述径流监测装置还包括一过流槽，该过流槽主要用于规范径流断面，便于准确测量径流断面面积，计算径流量；所述过流槽包括槽底和两侧的侧壁，所述感应装置安装于径流槽中。

12.如权利要求11所述的径流监测装置，其特征在于，所述槽底沿径流方向设置有凹槽。

13.如权利要求4、5、6、8或9所述的径流监测装置，其特征在于，所述径流冲力检测装置包括扭矩传感器。

14.一种径流监测系统，其特征在于，包括径流监测装置、水位检测装置、数据存储与处理装置和人机交互装置；

所述径流监测装置用于监测径流的流速与流量，输出径流冲力；

所述水位监测装置用于监测径流水位的高低，输出水位高低值；

数据存储与处理装置用于存储系统的数据，并根据根据径流检测装置与水位监测装置检测的数值计算径流流速或/和径流流量，并输出给人际交互装置。

Images