CN111487616B - 一种流量计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及江河、明渠流量测量技术领域，更具体地，涉及一种流量计量方法，将河流表面划分为多个平行于岸道的待测单元，包括以下步骤：获取待测单元表面多个点的径向流速；将径向流速转化为沿河流流向方向的液体流速；基于多个液体流速，获取待测单元的单元表面流速；基于各待测单元的单元表面流速、各待测单元的单元面积，获取所述测流断面的流量。本发明能把各种复杂情况变化所导致的测流断面上流速的变化情况，即测流断面上流速场的变化情况，通过多个待测单元的单元表面流速信息反映出来，简化了测验，提高了流量计量的精度，适用于各种不规则断面，不受水位变幅的影响，提高测洪能力。

Description

一种流量计量方法

技术领域

本发明涉及液体流量测量技术领域，更具体地，涉及一种流量计量方法，适用于计量江河、明渠的流量。

背景技术

传统的流量计量法是沿河渠宽在过水断面上用流速仪测量多条(视河宽而定，最少不少于五条)垂线流速，然后用部分流速面积法求出流量。这种方法被广泛的应用于天然河道的流量计量中，其作业过程称为测流。

天然河道遇到大洪水的时候，流速大，漂浮物多，流速仪测流法无法实施，此时常用浮标法代替，但由于浮标在河道中不仅经常上下翻滚、左右游荡，还会出现多个浮标挤到中泓区的现象，而且浮标法所测到的是上下比降断面之间的河段平均流速，不是测流断面的实际流速，所以精度不高。当遇到特大洪水的时候，还可以采用比降面积法作为备用方案，但由于比降不容易测量准确，所以精度比浮标法更差。此外，在明渠中，当有堰闸建筑物的时候，也可以采用水力学公式计算。

近年来，国外声纳测流技术发展很快，有走航式、水平式ADCP等不同种类，还有时差法声学测流仪，电磁、雷达式流速仪等，与传统的流速仪相比，技术先进，测流时间短，但价格要比传统的机械式流速仪昂贵许多。走航式ADCP在U形河槽和流速在每秒3米以下的平原区河道中，应用效果良好，缺点是不能实现实时在线，同时含沙量应小于5公斤/立方米。水平式ADCP和时差法流速仪原理差不多，其特点是先测得一个”指标流速”，之后与断面流速建立相关关系，方法快捷，可以实现实时在线，但存在相关线建立时间周期长和高水外延的缺点。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术中的至少一种缺陷，提供一种流量计量方法，能把各种复杂情况变化所导致的测流断面上流速的变化情况，通过多个待测单元的单元表面流速信息反映出来，提高了流量计量的精度，适用于各种不规则断面，不受水位变幅的影响，提高测洪能力。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种流量计量方法，将河流表面划分为多个平行于岸道的待测单元，包括以下步骤：

获取待测单元表面多个点的径向流速；

将径向流速转化为沿河流流向方向的液体流速；

基于多个液体流速，获取待测单元的单元表面流速；

基于各待测单元的单元表面流速、各待测单元的单元面积，获取所述测流断面的流量。

本发明一种流量计量方法，应用在江、河、湖、海、明渠等流量测量领域上，能把各种复杂情况所导致的测流断面上流速的变化情况，通过多个待测单元的单元表面流速信息反映出来，具体步骤为：首先将所要测量的河流表面划分为若干个平行于岸道的待测单元，从空中向各待测单元表面随机测量多个点的径向流速，并将多个点的径向流速转化为多个沿河流流向方向的液体流速，基于转化后的多个液体流速，计算得到待测单元的单元表面流速，结合各待测单元的单元表面流速以及各待测单元的单元面积，采用流速面积法计算得到测流断面的流量值。本发明通过一种流量计量方法，将各种复杂情况所导致的测流断面上流速变化情况转化为多个待测单元的单元表面测流信息，简化了测验，并且提高了流量计量的精度，这种流量计量方法能够适用于各种不规则，并且不受水位变幅的影响，提高测洪能力。

进一步地，所述基于多个液体流速，获取待测单元的单元表面流速，包括如下步骤：获取各待测单元上多个点的液体流速，并基于所述待测单元所有点的液体流速，获取各待测单元的平均液体流速；

获取各待测单元上多个点与测量岸道的离岸距离，并基于所述待测单元所有点的离岸距离，获取各待测单元的平均离岸距离；

获取各待测单元的中轴线的离岸距离；

基于各待测单元的多个点的液体流速、多个点的离岸距离、各待测单元的平均液体流速、各待测单元的平均离岸距离、各待测单元的中轴线的离岸距离，获取各待测单元的单元表面流速。

本发明通过各待测单元的单元表面流速和单元面积可计算得到河流的流量，其中，各待测单元的单元表面流速的具体计算步骤为：首先，对于各个待测单元，向各待测单元表面中随机选取若干个点，并对应获取多个点的液体流速，并基于待测单元中所有点的液体流速计算得到待测单元的液体流速平均值；其次，对于各待测单元表面的若干个点，获取与探测点距离最近的一侧岸道的离岸距离，并基于此待测单元中所有点的离岸距离计算得到待测单元的离岸距离平均值；再次，获取各个待测单元的中轴线的离岸距离；最后，基于多个点的液体流速、多个点的离岸距离、各待测单元的平均液体流速、各待测单元的平均离岸距离、各待测单元的中轴线的离岸距离，计算得到各待测单元的单元表面流速。本发明通过在待测单元表面上随机选取大量的测量点，并获取测量点的多个实际测量参数，由多个测量参数计算所得到待测单元的单元表面流速，其测量结果精度提高，有效地避免了参数的随机性和偶然性。

进一步地，由各待测单元的多个点的液体流速、多个点的离岸距离、各待测单元的平均液体流速、各待测单元的平均离岸距离、各待测单元的中轴线的离岸距离，获取各待测单元的单元表面流速的计算公式为：

y_n＝α+bd_n  (3)；

其中：x_nm为第n个待测单元中第m个点的离岸距离；

y_nm为第n个待测单元中第m个点的液体流速；

为第n个待测单元中所有点的离岸距离平均值；

为第n个待测单元中所有点的河水流速平均值；

i为第n个待测单元中有效点的数量，所述有效点满足径向流速与液体流向的夹角α_nm为30°<α_nm<60°或120°<α_nm<150°；

y_n为第n个待测单元的单元表面流速；

d_n为第n个待测单元中轴线的离岸距离。

本发明获取液体流速、离岸距离、平均液体流速、平均离岸距离和中轴线的离岸距离多个变量，通过最小二乘法的计算方法求得回归方程中a，b系数，并通过回归方程计算得到单元表面流速，即利用上述方程组求出待测单元的单元表面流速，其中，在回归方程的系数b的计算中，并不是将待测单元中所有点的液体流速、离岸距离等多个参数都作为计算变量，而是选取待测单元中的有效点的相关参数作为有效计算变量，具体地，有效点是指从空中向液面测量时的径向流速与液面的夹角满足30°<α_nm<60°或120°<α_nm<150°。本发明采用最小二乘法求回归方程的系数计算方法，是一种数学计算的优化技术，可以简便地求得回归方程中的系数，从而准确地求得单元表面流速，并使得求得的单元表面流速与实际数据之间误差的平方和为最小，求出的单元表面流速的准确度高，进而求出的流量结果准确度高。

进一步地，基于非接触式雷达技术，利用多普勒原理获取待测单元表面多个点的径向流速。

本发明通过结合侧扫雷达的非接触式雷达技术，并基于多普勒原理，从空中向液面发射雷达波，测量江河湖泊待测单元表面若干个点的径向流速。侧扫雷达为非接触式，能实时在线自动测量，能解决人员驻守测流断面的问题，且这种方法具有结构简单，安装方便，对场地要求小，节省人力资源，成本低，且距离分辨率高的特点，具有很高的推广价值。

进一步地，获取从空中向待测单元表面发射的雷达波f与反射回去的雷达波f′之间的多普勒频差f_d，基于所述多普勒频差f_d获取待测单元的径向流速。

进一步地，基于所述多普勒频差f_d获取待测单元的径向流速y_Rnm的计算公式为：

其中，多普勒频差f_d＝|f-f′|，c为雷达波在空气中的传播速度。

本发明采用雷达电波探测江河湖泊待测单元表面的径向流速的计算方法，具体在于利用水流对雷达电波布拉格散射的多普勒频移探测河水表面流的径向流速，具体计算公式如上述所示，这种探测方法实现实时在线自动化监测，对场地要求小，节省人力资源，成本低，测量精度高且距离分辨率高。

进一步地，所述将径向流速转化为沿河流流向方向的液体流速，包括如下步骤：

获取待测单元多个点的径向流速；

获取待测单元表面多个点与液体流向的夹角；

基于所述径向流速和所述夹角，转化为各待测单元沿河流流向的液体流速。

本发明通过各待测单元的液体流速可计算得到单元表面流速，液体流速是指在河流表面上沿河流流向的速度大小，液体流速基于径向流速和夹角的具体获取步骤为：在待测单元的表面上随机选取多个测量点，通过从空中向液面随机测量多个点的径向流速，并通过几何关系获取径向流速与液面流向的夹角，最后，由径向流速和夹角的几何关系算出待测单元液面上的液体流速。本发明通过测量得到径向流速，并根据径向流速与河流流速的夹角几何关系，从而得到所需的液体流速，其计算过程简单，计算方法精确且通用，具有较大的应用前景。

进一步地，由径向流速和夹角转化为液体流速的计算公式为：

其中：y_nm为第n个待测单元中第m个点的液体流速；

y_Rnm为第n个待测单元中第m个点的径向流速；

α_nm为第n个待测单元中第m个点与河流流向的夹角。

本发明通过径向流速和夹角的三角函数关系转化成待测单元液面上的液体流速，其具体的计算公式如上述所示，计算过程简单，采用三角函数的计算方法精确且通用，进一步提高测量结果的精确度。

进一步地，各待测单元的宽度相同。

本发明通过设置各待测单元的宽度相同，进一步提高流量计量的精度。

进一步地，所述基于各待测单元的单元表面流速、各待测单元的单元面积，获取所述河流的流量的计算公式为：

其中：Q为河流流量；

y_n为第n个待测单元的单元表面流速；

s_n为第n个待测单元的面积；

j为待测单元的数量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、能把各种复杂情况变化所导致的测流断面上流速的变化情况，即测流断面上流速场的变化情况，通过多个待测单元的单元表面流速信息反映出来，简化了测验，提高了流量计量的精度，适用于各种不规则断面，不受水位变幅的影响，提高测洪能力。

2、实现流量计量实时在线、自动化、远程监测和遥测。

3、大大缩短测流时间；在多处水文站实施实际测量工作时，把原来一个小时左右完成的测流工作缩短为2到5分钟。

附图说明

图1为本发明实施例的侧扫雷达安装在河岸位置几何图。

图2为本发明实施例的河道截面图。

图3为本发明实施例的流量计量方法步骤图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。现结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种流量计量方法，可适用于江河湖泊明渠的流量计量上，采用非接触式雷达技术，利用多普勒原理测量河流表面若干个点的径向流速，并根据各点的径向流速与河岸方向的夹角，将有效点的径向流速转化为沿河岸方向的河水流速，然后将河流表面分为若干个平行于河岸且等宽的待测单元，利用上述处理后得到的各待测单元若干个河流液体流速，通过计算得到单元表面流速，最后采用单元表面流速和各待测单元的面积乘积和得到断面流量。本实施例把各种复杂情况变化所导致的测流断面上流速的变化情况，通过多个待测单元的表面流速信息反映出来，不仅简化了测验，提高了流量计量的精度，同时为流量计量自动化创造了条件。

实施例

本实施例采用非接触式雷达技术测量径向流速，如图1所示为侧扫雷达安装在河岸位置几何图，雷达的具体安装方式为：将侧扫雷达安装在河岸上，安装地点与河水的距离需大于5m，安装架的高度由最大探测距离确定，雷达位置固定后，设置雷达水平补偿距离为雷达位置到断面起点距的距离，使得雷达测量的垂线位置与断面上的水平位置保持一致。

如图2所示为河道的截面图，将河道表面划分为多个平行于岸道且等宽的待测的单元，河道左侧安装有侧扫雷达，对侧扫雷达获取的表面单元流速进行分析，根据雷达回波信号置信度高低和测站断面特性选取有效单元流速，复杂河流可结合水动力学模型，建立单元表面流速与断面平均流速的关系，经流速面积法计算断面流量。

其中，如图3所示，河流的流量计量的具体步骤包括：

S1、获取待测单元表面多个点的径向流速；

具体地，基于非接触式的雷达技术，利用多普勒原理获取待测单元表面多个点的径向流速的具体步骤包括：

S11、获取从空中向待测单元表面发射的雷达波f与反射回去的雷达波f′之间的多普勒频差f_d，基于所述多普勒频差f_d获取待测单元的径向流速y_Rnm，其计算公式为：

其中，多普勒频差f_d＝|f-f′|，c为雷达波在空气中的传播速度。

S2、将径向流速转化为沿河流流向方向的液体流速；

具体地，根据径向流速与河流的夹角，将径向流速转化为液体流速的具体步骤包括：

S21、获取待测单元表面多个点与河流流向的夹角；

S22、基于所述步骤S1中获取的径向流速和所述夹角，转化为各待测单元沿河流流向的液体流速，其计算公式为：

其中：y_nm为第n个待测单元中第m个点的液体流速；

y_Rnm为第n个待测单元中第m个点的径向流速；

α_nm为第n个待测单元中第m个点与河流流向的夹角。

S3、基于多个液体流速，获取待测单元的单元表面流速；

具体地，获取待测单元的单元表面流速的具体步骤包括：

S31、获取各待测单元上多个点与测量岸道的离岸距离，并基于所述待测单元所有点的离岸距离，获取各待测单元的平均离岸距离；

S32、获取各待测单元的中轴线的离岸距离，图2中以左侧雷达安装的岸道为起点，标识出每个待测单元的测流断面的起点距；

S33、基于所述步骤S2中各待测单元的多个点的液体流速、所述多个点的离岸距离、所述各待测单元的平均液体流速、所述各待测单元的平均离岸距离、所述各待测单元的中轴线的离岸距离，获取各待测单元的单元表面流速，其具体计算公式为：

y_n＝α+bd_n  (3)；

其中：x_nm为第n个待测单元中第m个点的离岸距离；

y_nm为第n个待测单元中第m个点的液体流速；

为第n个待测单元中所有点的离岸距离平均值；

为第n个待测单元中所有点的河水流速平均值；

i为第n个待测单元中有效点的数量，所述有效点满足径向流速与河流流向的夹角α_nm为30°<α_nm<60°或120°<α_nm<150°；

y_n为第n个待测单元的单元表面流速；

d_n为第n个待测单元中轴线的离岸距离。

S4、基于各待测单元的单元表面流速、各待测单元的单元面积，获取所述河流的流量。

具体地，获取所述河流流量的计算公式为：

其中：Q为河流流量；

y_n为第n个待测单元的单元表面流速；

s_n为第n个待测单元的面积；

j为待测单元的数量。

本发明实施例的有益效果为：

1、本发明实施例适用于能够根据河流断面及水流特性建立流量计算模型的测站，尤其适合高洪流量测验、浅滩过水流量测验、界河流量测验与应急监测等，能把各种复杂情况变化所导致的测流断面上流速的变化情况，即测流断面上流速场的变化情况，通过多个待测单元的单元表面流速信息反映出来，简化了测验，提高了流量计量的精度，适用于各种不规则断面，不受水位变幅的影响，提高测洪能力。

2、实现流量计量实时在线、自动化、远程监测和遥测。

3、大大缩短测流时间：在多处水文站实施实际测量工作时，把原来一个小时左右完成的测流工作缩短为2到5分钟。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应被包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种流量计量方法，适合用于计量江河、明渠的流量，其特征在于，将河流表面划分为多个平行于岸道的待测单元，包括以下步骤：

获取待测单元表面多个点的径向流速；

将径向流速转化为沿河流流向的液体流速；

基于多个液体流速，获取待测单元的单元表面流速；

基于各待测单元的单元表面流速、各待测单元的单元面积，获取测流断面的流量；

所述基于多个液体流速，获取待测单元的单元表面流速，包括如下步骤：

获取各待测单元上多个点的液体流速，并基于所述待测单元所有点的液体流速，获取各待测单元的平均液体流速；

获取各待测单元上多个点与测量岸道的离岸距离，并基于所述待测单元所有点的离岸距离，获取各待测单元的平均离岸距离；

获取各待测单元的中轴线的离岸距离；基于各待测单元的多个点的液体流速、多个点的离岸距离、各待测单元的平均液体流速、各待测单元的平均离岸距离、各待测单元的中轴线的离岸距离，获取各待测单元的单元表面流速；

所述基于各待测单元的单元表面流速、各待测单元的单元面积，获取所述河流的流量的计算公式为：

；

其中：

为河流流量；

为第个待测单元的单元表面流速；

为第个待测单元的面积；

为待测单元的数量；

由各待测单元的多个点的液体流速、多个点的离岸距离、各待测单元的平均液体流速、各待测单元的平均离岸距离、各待测单元的中轴线的离岸距离，获取各待测单元的单元表面流速的计算公式为：

（1）；

（2）；

（3）

其中：

为第个待测单元中第个点的离岸距离；

为第个待测单元中第个点的液体流速；

为第个待测单元中所有点的离岸距离平均值；

为第个待测单元中所有点的河水流速平均值；

为第个待测单元中有效点的数量；

所述有效点满足径向流速与河流流向的夹角为30°＜＜60°，或120°＜＜150°；

为第个待测单元的单元表面流速；

为第个待测单元中轴线的离岸距离。

2.根据权利要求1所述的一种流量计量方法，其特征在于，基于非接触式雷达技术，利用多普勒原理获取待测单元表面多个点的径向流速。

3.根据权利要求2所述的一种流量计量方法，其特征在于，获取从空中向待测单元表面发射的雷达波与反射回去的雷达波之间的多普勒频差，基于所述多普勒频差获取待测单元的径向流速。

4.根据权利要求3所述的一种流量计量方法，其特征在于，基于所述多普勒频差获取待测单元的径向流速的计算公式为：

；

其中，多普勒频差，为雷达波在空气中的传播速度。

5.根据权利要求1所述的一种流量计量方法，其特征在于，所述将径向流速转化为沿河流流向方向的液体流速，包括如下步骤：

获取待测单元多个点的径向流速；获取待测单元表面多个点与河流流向的夹角；基于所述径向流速和所述夹角，转化为各待测单元沿河流流向的液体流速。

6.根据权利要求5所述的一种流量计量方法，其特征在于，由径向流速和夹角转化为液体流速的计算公式为：

；

其中：

为第个待测单元中第个点的液体流速；

为第个待测单元中第个点的径向流速；

为第个待测单元中第个点与河流流向的夹角。

7.根据权利要求1所述的一种流量计量方法，其特征在于，各待测单元的宽度相同。

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