CN111814356A - 一种基于流量在线监测的双基准校验模型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利系统技术领域，具体为一种基于流量在线监测的双基准校验模型方法，包括利用流量在线“采集平台”采集河道的相关数据：断面的垂线流速、水位数据、设备角度；建立矩形断面中垂线平均流速的计算模型；将天然河道中不规则的断面进行规则化处理，通过计算模型计算出断面上每条垂线平均流速，进而计算出断面的平均流速，最后计算出流量，本发明能够对几何形状不规则的断面进行规则化处理，消除断面形状阻力对糙率系数分析的影响，保证了在各种断面几何形状和复杂糙率条件下的计算精度。

Description

一种基于流量在线监测的双基准校验模型方法

技术领域

本发明涉及水利系统技术领域，具体为一种基于流量在线监测的双基准校验模型方法。

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。

其中流量计算方法对于我国河流流量的测验工作有着十分重要的意义，传统的谢才-曼宁公式只能计算断面平均流速，不能计算断面垂线平均流速。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于流量在线监测的双基准校验模型方法，基于硬件设备在河底固定位置监测到的分层流速，建立双基准校验模型，推算出断面上每条垂线流速，进而计算出断面的平均流速，最后计算出流量。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于流量在线监测的双基准校验模型方法，包括以下步骤：

(1)利用流量在线“采集平台”采集河道的相关数据：断面的垂线流速、水位数据、设备角度；

(2)建立矩形断面中垂线平均流速的计算模型；

(3)将天然河道中不规则的断面进行规则化处理，通过计算模型计算出断面上每条垂线平均流速，进而计算出断面的平均流速，最后计算出流量。

进一步地，在步骤(2)中计算模型如下:

通过下式得出矩形断面中任意的垂线平均流速

为：

式中，

为垂线左边的断面平均流速与修正系数α的乘积；

为垂线右边的断面平均流速与修正系数α的乘积；

其中

式中，I为水面比降，n为糙率，R_x1为任意垂线左边部分断面的水力半径，R_x2任意垂线左边部分断面的水力半径，α为垂线流速与断面平均流速之间建立相等关系的系数。

进一步地，在步骤(3)中，先根据垂线水深和水面宽在天然河道中做虚拟矩形、三角形和垂线；再通过下式先计算出垂线左边的断面流速：

式中，α为虚拟矩形断面中垂线流速的修正系数，N_左为垂线左边部分的糙率系数，R_左为垂线左边部分虚拟矩形断面面积与湿周的比值，I为水面比降；

其中

式中，

为虚拟矩形断面中的平均糙率，

为垂线流速特征糙率；

然后再计算出垂线右边的断面流速，垂线右边的断面流速的求法和垂线左边流速的一致。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于流量在线监测的双基准校验模型方法，具备以下有益效果：

(1)本发明对几何形状不规则的断面进行规则化处理，消除断面形状阻力对糙率系数分析的影响；能计算出断面中任意条垂线的流速，大大提高精度。

(2)本发明将天然河道中糙率分解，把卵子、砂子、水草等分开，然后根据其物理特性，相对准确的定出糙率系数，克服了传统综合糙率系数选用时的任意性，保证了在各种断面几何形状和复杂糙率条件下的计算精度。

附图说明

图1为本发明矩形断面的计算辅助图；

图2为本发明天然河道断面的计算辅助图；

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。

本发明提供一种技术方案：一种基于流量在线监测的双基准校验模型方法，包括以下步骤：

(1)、利用流量在线“采集平台”采集河道的相关数据：断面的垂线流速、水位数据、设备角度；

(2)、建立矩形断面中垂线平均流速的计算模型；

如图1所示，设断面中央(B/2处)的垂线平均流速为

全断面的平均流速为v，

中与v之间的关系为：

公式中，I为水面比降，n为糙率，R为水利半径，α为矩形断面中垂线流速修正系数。

或

然后由公式(2)可以看出，计算断面中央的垂线流速时，公式(1)中的水力半径R可以用垂线的左边和右边断面的水力半径的均值来代替，由此可推出，在任意垂线的流速也会与垂线的左边和右边断面的水力半径的组合有关。

因此，设任意垂线(图1中垂线a)左边部分断面的水力半径为：

垂线(图1中垂线a)右边部分断面的水力半径为：

同理可得，任意垂线的流速公式为：

其中

因此，矩形断面中的任意垂线流速公式可写为：

由公式(4)可表明：矩形断面中任意垂线流速等于被该垂线分开左右两部分断面平均流速的均值乘以矩形断面中垂线流速的修正系数α，为了应用方便，公式(4)可进一步写成：

令

则

其中，

为垂线左边的断面平均流速与修正系数α的乘积；

为垂线右边的断面平均流速与修正系数α的乘积；修正系数α是垂线流速与断面平均流速之间建立相等关系的系数，α可根据实测断面平均流速与公式(4)中去掉α系数之后求出各垂线流速，在用分布流速-面积法求得的断面平均流速取比值即为α系数。

(3)、将天然河道中不规则的断面进行规则化处理，通过计算模型计算出断面上每条垂线平均流速，进而计算出断面的平均流速，最后计算出流量。

如图2所示，先根据垂线水深和水面宽做虚拟矩形和三角形，然后根据步骤(2)推导出的公式(8)来计算垂线流速，先计算垂线左边的断面流速：

公式(9)中，α为虚拟矩形断面中垂线流速的修正系数，N_左为垂线左边部分的糙率系数，R_左为垂线左边部分虚拟矩形断面面积与湿周的比值，I为水面比降。

其中需要求得N_左的数值，计算公式如下：

公式(10)中，式中，

为虚拟矩形断面中的平均糙率，

为垂线流速特征糙率。

其中

根据所求垂线的水深和水面宽，做虚拟矩形断面和三角形断面，并将垂线划分为左右两个部分。

根据公式(11)，计算垂线左边部分虚拟断面的平均流速时，则以垂线左边实际河道中个河床质对应的过水面积为权重，用加权平均法计算

同理，再计算出垂线右边的断面流速，垂线右边的断面流速的求法和垂线左边流速的一致即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个引用结构”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种基于流量在线监测的双基准校验模型方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用流量在线“采集平台”采集河道的相关数据：断面的垂线流速、水位数据、设备角度；

(2)建立矩形断面中垂线平均流速的计算模型；

(3)将天然河道中不规则的断面进行规则化处理，通过计算模型计算出断面上每条垂线平均流速，进而计算出断面的平均流速，最后计算出流量。

2.根据权利要求1所述的基于流量在线监测的双基准校验模型方法，其特征在于，在步骤(2)中计算模型如下:

通过下式得出矩形断面中任意的垂线平均流速

为：

式中，

为垂线左边的断面平均流速与修正系数α的乘积；

为垂线右边的断面平均流速与修正系数α的乘积；

其中

式中，I为水面比降，n为糙率，R_x1为任意垂线左边部分断面的水力半径，R_x2任意垂线左边部分断面的水力半径，α为垂线流速与断面平均流速之间建立相等关系的系数。

3.根据权利要求2所述的基于流量在线监测的双基准校验模型方法，其特征在于，在步骤(3)中，先根据垂线水深和水面宽在天然河道中做虚拟矩形、三角形和垂线；再通过下式先计算出垂线左边的断面流速：

式中，α为虚拟矩形断面中垂线流速的修正系数，N_左为垂线左边部分的糙率系数，R_左为垂线左边部分虚拟矩形断面面积与湿周的比值，I为水面比降；

其中

式中，

为虚拟矩形断面中的平均糙率，

为垂线流速特征糙率；

然后再计算出垂线右边的断面流速，垂线右边的断面流速的求法和垂线左边流速的一致。

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