CN111474383A - 一种基于大数据的河流在线流量计算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于大数据的河流流量在线流量计算方法及系统收集测站位置、水流特性、历史大断面数据、历史各类仪器实测的流量数据并进行预处理，剔除不合理的数据；获取走航ADCP的实测数据并进行预处理，剔除不合理的数据，将走航ADCP历史实测数据还原至标准断面；依靠在线测流设备实时采集的水位、流速数据，走航ADCP的历史实测对应区域的水位、流速和断面信息结合上下游、左右岸测站位置，综合分析计算实测在线流量。本发明利用水文站各类数据，从测站位置、水流特性、到历史大断面数据、历史各类仪器实测的流量数据，尤其是走航ADCP的实测数据结合当前实测的水位流速数据进行分析和处理，能够提高在线测流手段的测验精度。

Description

一种基于大数据的河流在线流量计算方法及系统
技术领域
本发明属于在线水文测验技术领域，涉及一种基于大数据的河流在线流量计算方法及系统。
背景技术
目前河流在线流量测验手段主要有H-ADCP、超声波时差法、V-ADCP、二线能坡法、岸基雷达和粒子图像法(PIV)等，其技术核心归结起来都是先测量水平层流速、垂线流速或者表面流速和水位，再采用指标流速法建立实测流速与断面平均流速的关系，最后结合已测断面实现在线流量测验。
这类方法对测站位置、水流特性、历史大断面数据、历史各类仪器实测的流速流量数据，尤其是走航ADCP的实测数据等数据断考虑较少，导致在线流量测验精度不高。目前流量在线测验精度保证已成为水文生产中急需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于大数据的河流在线流量计算方法及系统,同时考虑到了每种仪器的特点和河道实际环境，有效提高测验精度。本发明能够应用于现有的H-ADCP、超声波时差法、V-ADCP、二线能坡法、岸基雷达和粒子图像法(PIV)在线测流设备中。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于大数据的河流在线流量计算方法，包括以下步骤：
步骤1，收集和处理大数据
收集测站位置、水流特性、历史大断面数据、历史各类仪器实测的流量数据并进行预处理，剔除不合理的数据；
步骤2，处理走航ADCP实测数据
获取走航ADCP的实测数据并进行预处理，剔除不合理的数据，将走航ADCP历史实测数据还原至标准断面；
步骤3，大数据在线流量计算
依靠在线测流设备实时采集的水位H、流速V数据，历史走航ADCP的实测对应区域的水位Hi、流速Vij、Qij和断面信息结合上下游、左右岸测站位置，综合分析计算实测在线流量，计算方式如下：
当实测水位H＝Hi，V＝Vij时按式(1)计算
Figure BDA0002463093930000021
当实测水位H＝Hi，Vij<V<Vij+1时按式(2)计算
Figure BDA0002463093930000022
当实测水位H＝Hi，V>Vij+1时按式(3)计算
Figure BDA0002463093930000023
当实测水位H＝Hi，V<Vij时按式(4)计算
Figure BDA0002463093930000024
当实测水位Z坝<H<Hi时按式(5)计算，当H<＝Z坝时，Q＝0；
Figure BDA0002463093930000025
当实测水位Hi,<H<Hi+1时按式(6)计算
Figure BDA0002463093930000026
当实测水位H>Hi+1时按式(7)计算
Figure BDA0002463093930000031
式中，Qc表示由实测水位H推算流量，m3/s；Vc表示由实测水位H推算流速，m/s；i表示历史实测水位Hi的序号，i＝1,23，....，n；j表示历史实测水位Hi对应流速流量的序号，j＝1,23，....，m；Z坝表示下游坝顶高程，m。
进一步的，所述在线测流设备实测的水位、流速数据通过以下方法或设备中的一种获得：超声波时差法流速仪实测层平均流速和实测水位；H-ADCP实测层平均流速和实测水位；由岸基雷达实测区域的表面平均流速和实测水位；由激光粒子图像流速仪实测区域的表面平均流速和实测水位；由水工建筑物在线系统实测水工建筑物的流速、水头、水位；由二线能坡法在线系统实测两条垂线平均流速和水位。
进一步的，所述步骤2中还原至标准断面的方法为：
先根据实测的水位、步骤1中的历史大断面数据和左右岸水边计算过水断面面积，将走航ADCP实测的断面流速投影至流量在线测验标准断面，投影计算公式如下：
Vij＝Cv
式中，Vij表示标准断面流速，m/s；v表示走航ADCP微单元平均流速，m/s；C表示投影系数。
本发明还提供了基于大数据的河流流量在线测验系统，包括收集和处理大数据模块、处理走航ADCP实测数据模块和大数据在线流量计算模块，所述收集和处理大数据模块用于收集测站位置、水流特性、历史大断面数据、历史各类仪器实测的流量数据并进行预处理，剔除不合理的数据；所述处理走航ADCP实测数据模块用于获取走航ADCP的实测数据并进行预处理，剔除不合理的数据，将走航ADCP历史实测数据还原至标准断面；所述大数据在线流量计算模块用于依靠在线测流设备实测的水位H、流速V数据，历史走航ADCP的实测对应区域的水位Hi、流速Vij、Qij和断面信息结合上下游、左右岸测站位置，采用各公式综合分析计算实测在线流量。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明提供的基于大数据的河流在线流量计算方法及系统,利用水文站各类数据，从测站位置、水流特性、到历史大断面数据、历史各类仪器实测的流量数据，尤其是走航ADCP的实测数据结合当前实测的水位流速数据进行分析和处理，能够提高在线测流手段的测验精度。本发明基于现有测验方法(时差法在线流量测验、H-ADCP在线流量测验、雷达在线流量测验、二线能坡法在线流量测验和水工建筑物在线测流)的数据，获得更为精确的河流在线流量计算方案，为落实最严格水资源管理度和水资源管理三条红线政策的执行提供了技术支撑。
附图说明
图1为本发明方法、传统在线时差法与标准走航法测量结果对比图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提供的一种基于大数据的河流在线流量计算方法，包括以下步骤：
步骤1，大数据的分析处理
对测站位置、水流特性、历史大断面数据、历史各类仪器实测的流量数据，进行核实及合理性检查，并分门别类存入数据库。
步骤2，处理走航ADCP的实测数据
获取走航ADCP的实测数据，对实测的矢量流速和船速速度数据，依据既定的规则对相应的速度分量做异常处理和坏数据处理，以保证实测数据更合理。根据规则查验数据，剔除数据中不合理的部分，明显超过常规范围的数据，重新计算历史走航ADCP的流量Qij；将走航ADCP历史实测数据还原至标准断面。还原方法是依据水流连续性原理，先根据实测的水位、步骤1中的历史大断面数据和左右岸水边计算过水断面面积，将走航ADCP实测的断面流速投影至流量在线测验标准断面，投影计算公式如下：
Vij＝Cv
式中，Vij表示标准断面流速，m/s；v表示走航ADCP微单元平均流速，m/s；C表示投影系数。
步骤3，大数据在线流量的计算
依靠在线测流设备实时采集的水位H流速V数据等信息和历史走航ADCP的实测对应区域的水位Hi、流速Vij、Qij和断面信上下游闸坝情况综合分析计算在线实测流量，具体计算方法见如下公式。
当实测水位H＝Hi，V＝Vij时按式(1)计算
Figure BDA0002463093930000051
当实测水位H＝Hi，Vij<V<Vij+1时按式(2)计算
Figure BDA0002463093930000052
当实测水位H＝Hi，V>Vij+1时按式(3)计算
Figure BDA0002463093930000053
当实测水位H＝Hi，V<Vij时按式(4)计算
Figure BDA0002463093930000054
当实测水位Z坝<H<Hi时按式(5)计算，当H<＝Z坝时，Q＝0。
Figure BDA0002463093930000055
当实测水位Hi,<H<Hi+1时按式(6)计算
Figure BDA0002463093930000056
当实测水位H>Hi+1时按式(7)计算
Figure BDA0002463093930000061
式中，Qc表示由实测水位H推算流量，m3/s；Vc表示由实测水位H推算流速，m/s；i表示历史实测水位Hi的序号，i＝1,23，....，n；j表示历史实测水位Hi对应流速流量的序号，j＝1,23，....，m；Z坝表示下游坝顶高程，m。
依靠在线测流设备实时采集的水位H流速V数据等信息的过程为：基于传统的流量在线测验方法，实测得到水位H流速V数据等信息，具体如下：
(1)时差法在线流量的计算
利用走航ADCP实测数据，由超声波时差法流速仪实测层平均流速和实测水位，结合历史实测水位和走航ADCP的实测数据等数据综合分析计算时差法在线实测流量。
(2)H—ADCP在线流量的计算
利用走航ADCP实测数据，由H-ADCP实测层平均流速和实测水位，结合历史实测水位和走航ADCP的相应位置的实测数据等数据综合分析计算H-ADCP在线实测流量。
(3)岸基雷达在线流量的计算
利用走航ADCP实测数据，由岸基雷达实测区域的表面平均流速和实测水位，结合历史实测水位和走航ADCP的相应位置的实测数据等数据综合分析计算岸基雷达在线实测流量。
(4)激光粒子图像在线流量的计算
利用走航ADCP实测数据，由激光粒子图像流速仪(LPIV)实测区域的表面平均流速和实测水位，结合历史实测水位和走航ADCP的相应位置的实测数据等数据综合分析计算激光粒子图像在线实测流量。
(5)水工建筑物在线流量的计算
利用走航ADCP实测数据，由水工建筑物在线系统实测水工建筑物的水位，结合历史实测水位和走航ADCP的实测数据、水工建筑物的类型、出流系数等数据综合分析计算水工建筑物在线实测流量。
(6)二线能坡法在线流量的计算
利用走航ADCP实测数据，由二线能坡法在线系统实测两条垂线平均流速和水位，结合历史实测水位和走航ADCP的相应位置的实测数据等综合分析计算二线能坡法在线实测流量。
本发明以时差法在线测流为例，基于大数据的时差法在线测流与传统在线时差法计算结果做了对比，走航ADCP的实测结果、传统时差法测得流量、采用本发明提供的基于大数据的河流在线流量计算方法测得流量相对应的数据列在下表1中，三种方法测量结果对比如图1所示：
Figure BDA0002463093930000071
表1
以走航ADCP的实测结果作为标准流量，传统在线时差法偏大13.3％，大数据在线时差法偏小6.99％，结果显示基于大数据在线时差法明显优于传统在线时差法。
本发明还提供了能够实现上述方法的基于大数据的河流流量在线测验系统，包括收集和处理大数据模块、处理走航ADCP实测数据模块和大数据在线流量计算模块，其中，收集和处理大数据模块用于收集测站位置、水流特性、历史大断面数据、历史各类仪器实测的流量数据并进行预处理，剔除不合理的数据，即实现步骤1的内容；处理走航ADCP实测数据模块用于获取走航ADCP的实测数据并进行预处理，剔除不合理的数据，将走航ADCP历史实测数据还原至标准断面，即实现步骤2的内容；大数据在线流量计算模块用于依靠在线测流设备实时采集的水位H、流速V数据，历史走航ADCP的实测对应区域的水位Hi、流速Vij、Qij和断面信息结合上下游、左右岸测站位置，采用各公式综合分析计算实测在线流量，即实现步骤3的内容。本系统为计算机软件，有效提高现有测流手段所测数据精度和实时性，能够为水资源和水文管理部门提供优良服务。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于大数据的河流在线流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，收集和处理大数据
收集测站位置、水流特性、历史大断面数据、历史各类仪器实测的流量数据并进行预处理，剔除不合理的数据；
步骤2，处理走航ADCP实测数据
获取走航ADCP的实测数据并进行预处理，剔除不合理的数据，将走航ADCP历史实测数据还原至标准断面；
步骤3，大数据在线流量计算
依靠在线测流设备实时采集的水位H、流速V数据，历史走航ADCP的实测对应区域的水位Hi、流速Vij、Qij和断面信息结合上下游、左右岸测站位置，综合分析计算实测在线流量，计算方式如下：
当实测水位H＝Hi，V＝Vij时按式(1)计算
Figure FDA0002463093920000011
当实测水位H＝Hi，Vij<V<Vij+1时按式(2)计算
Figure FDA0002463093920000012
当实测水位H＝Hi，V>Vij+1时按式(3)计算
Figure FDA0002463093920000013
当实测水位H＝Hi，V<Vij时按式(4)计算
Figure FDA0002463093920000014
当实测水位Z坝<H<Hi时按式(5)计算，当H<＝Z坝时，Q＝0；
Figure FDA0002463093920000015
当实测水位Hi,<H<Hi+1时按式(6)计算
Figure FDA0002463093920000021
当实测水位H>Hi+1时按式(7)计算
Figure FDA0002463093920000022
式中，Qc表示由实测水位H推算流量，m3/s；Vc表示由实测水位H推算流速，m/s；i表示历史实测水位Hi的序号，i＝1,23，....，n；j表示历史实测水位Hi对应流速流量的序号，j＝1,23，....，m；Z坝表示下游坝顶高程，m。
2.根据权利要求1所述的基于大数据的河流在线流量计算方法，其特征在于：所述在线测流设备实测的水位、流速数据通过以下方法或设备中的一种获得：超声波时差法流速仪实测层平均流速和实测水位；H-ADCP实测层平均流速和实测水位；由岸基雷达实测区域的表面平均流速和实测水位；由激光粒子图像流速仪实测区域的表面平均流速和实测水位；由水工建筑物在线系统实测水工建筑物的流速、水头、水位；由二线能坡法在线系统实测两条垂线平均流速和水位。
3.根据权利要求1所述的基于大数据的河流在线流量计算方法，其特征在于：所述步骤2中还原至标准断面的方法为：
先根据实测的水位、步骤1中的历史大断面数据和左右岸水边计算过水断面面积，将走航ADCP实测的断面流速投影至流量在线测验标准断面，投影计算公式如下：
Vij＝Cv
式中，Vij表示标准断面流速，m/s；v表示走航ADCP微单元平均流速，m/s；C表示投影系数。
4.基于大数据的河流在线流量计算系统，其特征在于：包括收集和处理大数据模块、处理走航ADCP实测数据模块和大数据在线流量计算模块，所述收集和处理大数据模块用于收集测站位置、水流特性、历史大断面数据、历史各类仪器实测的流量数据并进行预处理，剔除不合理的数据；所述处理走航ADCP实测数据模块用于获取走航ADCP的实测数据并进行预处理，剔除不合理的数据，将走航ADCP历史实测数据还原至标准断面；所述大数据在线流量计算模块用于依靠在线测流设备实测的水位H、流速V数据，历史走航ADCP的实测对应区域的水位Hi、流速Vij、Qij和断面信息结合上下游、左右岸测站位置，采用各公式综合分析计算实测在线流量。
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