CN112014589B - 一种智能流速测量装置及河流流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种智能流速测量装置，包括可拆卸密闭连接形成流线型的外壳体，通过水流驱动旋转的螺旋桨，驱动连接的发电机构，所述发电机构电连接有用于检测发电机构产生电压并转换为流速数据进行存储的电路板，所述电路板还连接有控制终端。本发明还提供一种河流流量测量方法，通过测量装置获得河流横断面的流速分布计算精确的流量。本发明提供的测量方法能够通过智能流速测量装置获取到不同位置的河床深度，通过多点采样方式获得整个河床的轮廓，结合对采样测量点的深度及流速信息在河道横断面的实际流速分布获得河流河道的精准流量数据，以避免因流量测量失真导致对水体利用和防护不足的问题。

Description

一种智能流速测量装置及河流流量测量方法

技术领域

本发明涉及河流流量测量方法领域，尤其涉及河流流量的精准测量方法领域，具体涉及基于智能流速测量装置对河流流速测量建立河流流量测量的方法。

背景技术

水体流量监测对水体的合理充分利用和保护意义至关重要。现有的流量测量方法结果大多都基于估算获得，测量值与实际值之间的误差较大，尤其是对于现实的非规整河道流量的测量，现有技术中测量的方式大致可以分为三类：

第一类是通过水文站进行流量、水位等监测，以获得河流流道在不同时节的水位、水质及流量情况；但水文站一般只有大型水库、湖泊或者河流才会建设配备，根据被监测水体大小水文站可以分为一类站、二类站、三类站，但较小河流或者地势偏远地区河流水体往往并未建设水文站，对于水体实时状况并不能及时掌握，出现水情或者排污事件，一般也只有应急检测和控制。

第二类是现场测量，现场测量水体针对静水湖泊水库往往非常简单，只需要对水位、水质等基本参数进行测量即可，且相关参数容易获得。对于河流流动的流量测量往往是通过浮标法事先将河流流速测出，再反复几次，通过计算平均流速；同时测量河道2米或者更小的间距水流横断面的面积，再根据河流跨度获得平均横断面的面积，从而通过横断面面积和平均流速计算单位时间内的流量，这种方式最大的优势在于计算成本低，只需要计时表和漂浮物即可实现，但存在最大的弊端就是误差极大，由于横断面面积是根据小跨度计算推导而出，但是实际的河道河床底部形状是截然不同的，这将导致求和获得的河流横断面与实际面积相差非常大。再者，通过漂浮物测量出来的流速只是河道表面的速度，根据流体力学分析，河流表面的流速将大于靠近河床底部的流速，但是又会明显低于河道中心流速；因此，浮标法所采用的流速和横断面面积计量的方式都存在严重的误差，甚至偏差；故而，获得的流量数据并不能很好的与实际吻合，只能用于大致估算实际流量情况，对于后续水体利用和保护是不利的。

第三类是容积法，容积法是通过高精度计量容器在单位时间内收集的水量进行经验推算每天、每月的水流量。这种方法局限性在于只能适用于小流量的测量，无法对于河道流量测量，往往用于河道中安放的管道式小流量排污口的排污量进行测量。若超标排放的污染物进入河道，在不能精确获知河道流量的情况下，则无法计算被污染水体的体量，污染物浓度以及波及范围。

鉴于上述现有技术情况，需要一种更加精准和客观的流量测量方法，以更好的掌握水体在不同时期的流量及水位情况。

发明内容

为了解决现有技术在河流河道流量测量中存在的测量结果精度低的问题，本申请提供一种智能流速测量装置及河流流量测量方法，用于通过提高河流河道流速测量精度，同时针对河道不同位置，不同深度进行测量点采样，再通过积分的方式将不同流速在整个河流河道横断面上的分布进行计算，避免了现有技术中通过平均值估算导致的误差非常大，测量数据失真的问题。

本发明提供的测量方法能够通过智能流速测量装置获取到不同位置的河床深度，通过多点采样方式获得整个河床的轮廓，结合对采样测量点的深度及流速信息在河道横断面的实际流速分布获得河流河道的精准流量数据，以避免因流量测量失真导致对水体利用和防护不足的问题。

为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：

一种智能流速测量装置，包括可拆卸密闭连接形成流线型外壳体的前壳体和后壳体，与成锥形设置的后壳体较小端一体连接的第一套管，通过水流驱动旋转的螺旋桨，所述螺旋桨轴向固连有传动轴，所述传动轴与所述第一套管气密转动连接且传动轴自由端贯穿第一套管与设置于外壳体内的发电机构驱动连接，所述发电机构电连接有用于检测发电机构产生电压并转换为流速数据进行存储的电路板，所述电路板还连接有控制终端，所述控制终端采用无线通信连接方式实现，具体可采用现有的无线通讯模块建立通信连接。

还包括与所述电路板电连接并通过电路板控制进行收放线的铰盘机构，所述铰盘机构通过柔性线束连接有用于限制测量装置深度的定位金属球；所述前壳体上具有检测孔，所述检测孔内安装有与所述电路板连接的用于检测水深的深度传感器，以及与电路板电连接可充电的锂电池。

优选地，所述铰盘机构包括与后壳体固定连接的支架，转动连接在所述支架上用于容纳和收放线束的铰盘，与铰盘依次驱动连接的减速器和用于驱动铰盘正/反转进行收放线的电机。

优选地，所述减速器输出轴与第一驱动轴连接，所述第一驱动轴通过锥齿轮与第二驱动轴驱动连接，所述第二驱动轴上设置有与所述铰盘啮合的齿轮或与铰盘摩擦贴合驱动铰盘转动的转轮。

优选地，所述前壳体底部设置有用于供线束通过的线管，所述线管内设置有多层硅胶片，任一硅胶片上均设置有自然状态下处于闭合的开口；所述前壳体内密闭设置有用于至少密闭盖合所述铰盘和线管延伸至前壳体内部端头的密封罩；所述外壳体内底部还设置有稳定外壳体在水下姿态的配重块。

优选地，所述电路板包括基于单片机的中央处理器，与中央处理器连接用于初始化数据的复位电路，用于采集和计算深度信息和流速信息的运算电路，用于电机发送控制指令的驱动电路，用于计时的时钟电路，以及用于与控制终端收发信息的无线射频通信模块。

本发明还提供一种河流流量测量方法，基于上述公开的一种智能流速测量装置基于对河流横断面多点流速测量实现，其具体包括以下测量步骤实现：

步骤ST100 确定河流待测量横断面，在待测量横断面两岸分别标记始点A和终点B；

步骤ST200 准备测量工具，将缠绕于铰盘机构上的线束自由端与金属球牢固绑扎，并将线束长度控制在河道淤泥深度以上，优选首先设定为17cm以内，若测量过程中深度传感器或者流速异常，则应调整增大线束长度，说明淤泥深度已经影响到螺旋桨或者深度传感器的正常工作。

同时将长度大于待测横断面水面的拉线一端牢固绑扎于金属球并置于始点A，并将智能流速测量装置置于水面上，手持拉线另一端并置于终点B，使得拉线横跨待测河流表面；

步骤ST300 回收拉线使得智能流速测量装置完全淹没于水下为止，通过控制终端开启智能流速测量装置，同时，测量此时回收拉线长度m ₁，读取此时流速v ₁和深度h ₁ ，获得第一个测量点x ₁（m ₁，v ₁，h ₁）；

步骤ST400 继续回收拉线，以1米为单位，采用步骤ST300的方式记录第二个测量点x ₂（m ₂，v ₂，h ₂），直到智能流速测量装置到达终点B附近浮出水面无法采集到有效流速v位置，并依次记录各个测量点的信息x ₃（m ₃，v ₃，h ₃）……x _i（m _i ，v _i ，h _i ）；

步骤ST500 在步骤ST400过程中，当连续四个测量点x _i -x _i+3 对应的深度h _i -h _i+3 的任一绝对值增量小于17cm时，将测量点x _i+3 作为纵向流速测量标记点；

步骤ST600 保持拉线不变，通过控制终端向智能流速测量装置发出放线信号，电机驱动铰盘旋转放线，单次放线长度不大于10cm，记录纵向流速测量标记点x _i+3 在不同深度h _i+3i 的流速x _i+3i ，直到智能流速测量装置浮出水面；

步骤ST700 通过步骤ST600获得的多个深度的纵向流速测量标记点x _i+3 -x _i+3i 绘制不同深度h _i+3i 与流速v _i+3i 的折线图，记录斜率最大点x _i+3kmax 对应的深度值h _kmax ，并将深度为h _kmax 作为当前河流的水下分流层；

步骤ST800 以测量点x _i+3kmax 的金属球与智能流速测量装置之间的距离为标准，重复步骤ST300-ST400记录测量点x ¹（m ¹ ，v ¹ ，h ¹ ）……x ⁱ （m ⁱ ，v ⁱ ，h ⁱ ）；

步骤ST900 根据步骤ST400获得的测量点x ₁-x _i拟合获得河床边缘的边界曲线f （x），根据步骤ST800获得的测量点x ¹-x ⁱ 拟合获得分流层的边界曲线g（x），以最大深度h _max 对应点绘制纵向直线，以步骤ST700中流速最大的点绘制横向直线，所述纵向直线与横向直线的交点定义为最大流速范围的椭圆O的圆心，其中，椭圆O的长半轴p=17% L -22% L，L为水平面宽度，短半轴取h _kmax -h _vmax ，其中h _vmax 为流速最大点所在深度；

步骤ST1000 通过积分分别获得边界曲线f（x）与水平面围成的不规则图形面积S₀、边界曲线g（x）与水平面围成的不规则图形面积S₁和椭圆O的面积S₃，则在时间T内流经河流测量横断面的水流量Q_t为：

其中，

为在S₀-S₁截面内的任意多个测量点流速平均值，且i为≥3的自然数；

为在S₁-S₃截面内的任意多个测量点流速平均值，且i为≥3的自然数；

为在S₃截面内的任意多个测量点流速平均值，且i为≥3的自然数。

优选地，所述边界曲线f (x)拟合通过多个离散点组成的多段曲线组成，则相邻两端点x _i 和x _i+1处对应的竖直方向的绝对值与已知测量点水平位置对应的深度关系函数值相等，则f _i （x _i ）=h _i ，同理，f _i （x _i+1 ）=h _i+1 i=1,2,3,4……n-1；

那么该多段曲线的一阶导数、二阶导数在相邻两端点处亦必然相等且在端点处的曲率为零，则有y _i = f _i-1 ^，， （x _i ）= f _i-1 ^， （x _i ）

则边界曲线f（x）可通过下式表示：

其中，i=1,2,3,4……n-1。

进一步地，所述边界曲线g（x）通过下式表示：

其中，i=1,2,3,4……n-1。

有益效果：

本发明提供的智能流速测量装置能够针对任何地形的河床进行实地检测，通过多个依次测量的离散点获得河床的实际边缘，同时通过对最深点所在纵向面的不同深度进行测量，获取河道流体的分流层，将整个河道断面根据不同流速划分为不同区域，通过对应流速截面与对应流速乘积获得精准的流速，避免了现有技术对流速测量偏差大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是智能流速测量装置的立体结构图；

图2是图1的反向视角立体结构图；

图3是图1的结构爆炸图；

图4是图3的反向视角结构爆炸图；

图5是图1的俯视图；

图6是图5中沿剖切符号A-A的剖视图；

图7是河道底层流速测量示意图；

图8是河道中层流速测量示意图；

图9是河道表层流速测量示意图；

图10是河道横断面面积划分示意图；

图11是河水表面、深度和拉线长度构成的三角关系示意图;

图12是本发明智能流量测量装置的电路原理框图；

图13是运算电路的电路原理示意图。

图中：1-螺旋桨；101-第二导流锥；102-第一导流锥；103-叶轮；104-传动轴；105-密封轴承；2-第一套管；3-后壳体；4-前壳体；5-密封圈；6-锂电池；7-电路板；8-支架；9-电机；10-减速器；11-第一驱动轴；12-第二驱动轴；13-第二套管；14-密封罩；15-铰盘；16-检测孔；17-发电机构；18-配重块；19-线管；20-深度传感器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

本实施例就本发明提供的智能流速测量装置结合说明书附图进行详细说明，结合说明书附图1-6所示，具体包括可拆卸密闭连接形成流线型外壳体的前壳体4和后壳体3，使得整个外壳体在水下能够尽可能的减小流体阻力，同时进一步的提升测量装置的稳定性，避免阻力不均导致的摇摆或者翻滚的问题。所述前壳体4和后壳体3之间通过密封圈5挤压密封。与成锥形设置的后壳体3较小端一体连接的第一套管2，通过水流驱动旋转的螺旋桨1，所述螺旋桨1轴向固连有传动轴104，所述传动轴104与所述第一套管2气密转动连接且传动轴104自由端贯穿第一套管2与设置于外壳体内的发电机构17驱动连接；所述第一套管2与传动轴104之间优选采用多个密封轴承105实现密封于转动需求。当然，采用现有技术设置软质密封环或设置硬质的碳环亦可满足转动和密封需求，但对加工精度和表面光滑度要求更高，会增加产品的制造成本；经对比，采用市售密封轴承为优选方案。当测量装置置于流动的水中时，由于测量时测量装置是固定的，水流和螺旋桨1会产生相对速度，从而水流将驱动螺旋桨1转动，同时将转速同轴传递给传动轴104，当水流速度越快螺旋桨1的转速越大，进而实现通过检测螺旋桨1的转速发电电压高低来反应水流速度。所述发电机构17电连接有用于检测发电机构17产生电压并转换为流速数据进行存储的电路板7，电路板7通过将采集的电压参数转换为对应的流速进行存储，以便于后续调取数据进行使用；同时所述电路板7还通过无线发射模块将采集的流速数据发送至无线通信连接的控制终端，本实施例中控制终端采用现有技术中带显示的遥控器即可，此部分并非本案发明所作出新颖性和创造性贡献的点，在此对控制终端不做详述。测试人员可实时获知任一测量点的水流流速情况。值得说明的是，螺旋桨1的叶轮103优选采用小斜角，多叶轮的结构，同时，叶轮103的迎水面和背水面分别设置有第二导流锥101和第一导流锥102，目的是为了更好的增加流线性，减小流体阻力；因为在同等流速情况下多叶轮小斜角的螺旋桨1在流体中能够产生更大的流体阻力，当流速较小时多叶轮结构能够提供更大的扭矩，同时转速也相较于双叶轮或者三叶轮结构更稳定，能够测量更小流体的流速，以满足流速非常小的河流测量要求。大斜角，少叶轮结构的螺旋桨更适合高速流动的阻力较小的流体，譬如气体。鉴于上述情况，不同的螺旋桨1的型号，叶轮103的设置在相同流速下都会产生不同的转速，但是输出结果必须是与客观流体速度一致的，这就需要针对每一种螺旋桨1装配后进行精度校验，具体校验方式采用如下：

将装配好的测量装置固定于测试流道中，采用已知的标准流速采集对应的转速，获取多组流速与转速之间的关系。具体地将测试流道中的流体速度分别设定为1m/s、2m/s、3m/s……10m/s。分别将采集的10组已知流速与转速之间的关系或者拟合为流速与转速之间的函数Fv，将函数Fv烧录到电路板7中的中央处理器中实现通过采集转速信息输出流速信息。由于不同的螺旋桨1的设计阻力和装配阻力不同，因此，采用不同的螺旋桨1的结构在相同的流速环境下的转速是不同的，因此单一螺旋桨1对应的函数Fv都是不同的，但采用上述实验取样的方式均可获得，因此，采用不同型号或者构造的螺旋桨1在本发明公开的前提下并不需要做出创造性劳动即可获得，均属本发明公开的范围内。根据离散分布的多组数据获得拟合函数Fv是现有的技术，拟合过程可通过现有技术实现，在此不做详述。

本实施例中，所述测量装置还包括与所述电路板7电连接并通过电路板7控制进行收放线的铰盘机构，所述铰盘机构通过柔性线束连接有用于限制测量装置深度的定位金属球；所述前壳体4上具有检测孔16，所述检测孔16内安装有与所述电路板7连接的用于检测水深的深度传感器20，以及与电路板7电连接可充电的锂电池6。金属球的自身重量须克服自身重力和测量装置产生的重力，确保金属球在不受到其他外力作用下时，能够始终保持静止，从而使得测量装置所处位置能够可控。当需要调整测量装置的深度时，只需要通过铰盘机构收放柔性线束调整测量装置与金属球之间的距离即可实现。当需要减小测量装置深度时，只需要通过控制终端向测量装置发送放线指令，即可使测量装置与金属球之间的柔性线束边长，测量装置在自身浮力作用下上升，直到达到预设测量深度位置。测量装置的实际深度位置通过深度传感器20采集获得，从而能够采集到处于横断面不同位置不同深度的任意点的流速，且本实施例提供的测量装置单人即可操作，非常方便。

实施例2：

作为本发明针对测量装置结构阐述的优选实施例，在实施例1的基础上进一步结合说明书附图1-6，图12和13所示，所述铰盘机构包括与后壳体3固定连接的支架8，转动连接在所述支架8上用于容纳和收放线束的铰盘15，与铰盘15依次驱动连接的减速器10和用于驱动铰盘15正/反转进行收放线的电机9。当需要执行放线动作时，由于测量装置自身具有浮力，因此电机9只需要输出很小的功率即可完成；但当需要执行收线动作时，由于电机9驱动铰盘15转动需要克服测量装置的浮力和线束产生的摩擦阻力，因此需要满足条件的扭矩输出才能正常的进行收线调节，实现测量装置下潜至更大深度。设置减速器10的作用在上述环境下的优势就能得到很好的体现：其一，减速器10能够将电机9输出的扭矩增大数倍甚至十数倍，能够实现更低功耗的电机9满足要求，使得相同的锂电池6能够提供更长的工作续航时间；其二，由于测量装置与金属球在测量状态时的相对位置是不变的，增加减速器10能够极大的增加使电机9被动旋转所需的力矩，从而可以保证在电机9没有收到工作指令时，测量装置和金属球的相对位置始终是保持不变的。

为了更好的实现收放线调整测量装置的所在深度，所述减速器10输出轴与第一驱动轴11连接，所述第一驱动轴11通过锥齿轮与第二驱动轴12驱动连接，所述第二驱动轴12上设置有与所述铰盘15啮合的齿轮或与铰盘15摩擦贴合驱动铰盘15转动的转轮。无论采用啮合驱动还是摩擦驱动方式，优选采用如图3和图4示出的结构配合方式，使得第二驱动轴12与铰盘15相互接触的驱动面周长尺寸成倍设置，即第二驱动轴12与铰盘15形成减速单元，进一步减轻电机9的驱动负荷，同时增加铰盘15的稳定性。为了更进一步地提高第一驱动轴11和第二驱动轴12的稳定性，还设置有用于套设所述第一驱动轴11和第二驱动轴12的第二套管13，使得第二套管13对第一驱动轴11和第二驱动轴12的啮合位置做进一步限定，同时可以保护转动设置在第一驱动轴11和第二驱动轴12的转动件，譬如轴承或轴套等。

本实施例中为了进一步提升测量装置的内部密封性，所述前壳体4底部设置有用于供线束通过的线管19，所述线管19内设置有多层硅胶片，任一硅胶片上均设置有自然状态下处于闭合的开口；所述前壳体4内密闭设置有用于至少密闭盖合所述铰盘15和线管19延伸至前壳体4内部端头的密封罩14；所述外壳体内底部还设置有稳定外壳体在水下姿态的配重块18。虽然螺旋桨1是整个测量装置阻力最大的部分，在水流作用下，由于柔性线束的固定，则螺旋桨1将始终处于下游方向，但基于柔性拉线的拉力和水流的共同作用，测量装置容易出现头低尾高的姿态，故而需要在测量装置内放置配重块18，使得测量装置形成在水中悬浮的不倒翁，并平衡柔性线束的拉力，以使得测量装置整体处于水平姿态，以更好的测量更加精准的流速数据。但配重块18加入后整个测量装置的密度须小于水的密度，能够在自然状态下自然上浮为准。

但是密封罩14将线管19、铰盘15均罩于其内形成完全密封，使得测量装置内部处于完全密封的状态。由于硅胶片上设置有开口，则柔性线束能够通过该开口穿插于线管19内，实现收放线动作，但由于硅胶片开口自然状态下处于闭合状态，故而对于柔性的限束在收线过程中，能够将多余的水挤压排出，且硅胶片数量设置有多片，不仅能够更好的去除柔性线束上的水分，同时能够更好的提供密封罩14内部的密封环境。由于密封罩14内的空气没有可排除的通道，加之多片硅胶片的密封阻隔，且线管19的中空内径不足2毫米，水下的压力并不能使水完全通过线管19进入到密封罩14内部，从而，测量装置内始终可保证绝对的密封，为测量的可靠性提供结构性保证。

本实施例中，所述电路板7包括基于单片机的中央处理器，与中央处理器连接用于初始化数据的复位电路，用于采集和计算深度信息和流速信息的运算电路，如图13所示，以及用于电机9发送控制指令的驱动电路，用于计时的时钟电路，以及用于与控制终端收发信息的无线射频通信模块。电器控制部分包括信号的无线收发，信号的处理，信号的对比运算，信号的驱动和执行，此部分通过现有PCB开发板和现有的模块即可实现。

本实施例中，如图12和图13所示电气原理所示，本实施例中所述中央控制器采用MSC-51-AT89C51作为数据处理器，当然，在不考虑成本的前提下亦可采用Infineon公司提供的C167CS-32FM芯片作为信息处理器，可提供更好的控制网络搭建环境，对于本领域技术人员而言，实现本实施例的控制效果亦可采用等效不等价的其他模板电路或者开发电路实现，针对采购的不同现有模块而匹配，在本发明公开的实质内容基础上做上述内容的调整，仍然应视为等同或等效功能电路结构。

实施例3：

本发明还提供一种河流流量测量方法，基于上述公开的一种智能流速测量装置基于对河流横断面多点流速测量实现，具体结合说明书附图7-11及实施例2中提供的结构和原理，其具体采用以下测量步骤实现：

步骤ST100 确定河流待测量横断面，在待测量横断面两岸分别标记始点A和终点B；其中始点A即为出发点，终点B为回收点。

步骤ST200 准备测量工具，将缠绕于铰盘机构上的线束自由端与金属球牢固绑扎，并将线束长度控制在17cm以内，当然若被测量河道河床淤泥较深，甚至大于17cm则可以适当的延长线束长度，以测量装置不直接接触河床淤泥为宜；同时将长度大于待测横断面水面的拉线一端牢固绑扎于金属球并置于始点A，并将智能流速测量装置置于水面上，手持拉线另一端并置于终点B，使得拉线横跨待测河流表面；测量点优选选择靠近桥梁的地方，以便于往返于始点A和终点B，若无桥梁或者定点测量，则需要准备充气船或其他工具作为渡过河面的工具。值得说明的是如图7-8所示，设置有漂浮于水面的漂浮物，用于目视实际测量装置的位置，避免在测量中因河床底部的异物，如树枝等对测量中装置造成阻碍而不知。当实际测量过程中，若采集的深度信息明显异常则可通过水面的漂浮物实际位置判断是否存在河床异物造成阻碍。绷直拉线，并在终点B处对拉线标注记号，以标注记号处记为拉线总长L，任一测量点已经收回拉线剩余长度记为Li，如图11所示，当处于测量点x _i时，测量点x _i在水平面上对应投影点x _i ^，距离终点B的距离与此时的深度h _i 满足下述条件：x _i ^，B²+h _i ² = Li ²，同理投影点x _i ^，距离始点A的距离x _i ^，A=L- x _i ^，B，通过距离x _i ^，A和/或距离x _i ^，B即可获得多个测量点x _i在测量河流横断面上的坐标位置，建立1:1的数学模型。

步骤ST300 回收拉线使得智能流速测量装置完全淹没于水下为止，通过控制终端开启智能流速测量装置，同时，测量此时回收拉线长度m ₁，读取此时流速v ₁和深度h ₁ ，获得第一个测量点x ₁（m ₁，v ₁，h ₁）；

步骤ST400 继续回收拉线，以1米为单位，采用步骤ST300的方式记录第二个测量点x ₂（m ₂，v ₂，h ₂），直到智能流速测量装置到达终点B附近浮出水面无法采集到有效流速v位置，并依次记录各个测量点的信息x ₃（m ₃，v ₃，h ₃）……x _i（m _i ，v _i ，h _i ）；值得说明的是，当每一次回收拉线的长度越大，则采样的点数量越少；反之，若每一次回收拉线的距离越小，则采样点数量越多，采样点之间的密度越大，越密集，获得的河床轮廓线更精准。一般待测量河流的河面跨度均超过50米，抛开始点A和终点B的浅水区，实际测量采样点最少可获得45个，足以拟合河床曲线和等速曲线。

步骤ST500 在步骤ST400过程中，当连续四个测量点x _i -x _i+3 对应的深度h _i -h _i+3 的任一绝对值增量小于17cm时，将测量点x _i+3 作为纵向流速测量标记点；采用这样设置的目的在于获得河床底部在任一测量段中存在的一个较低点，若河床底部存在多个起伏沟壑，则将采集多个测量标记点，以客观反映河道深处处于不同沟壑形状中的水流速度。值得强调的是，纵向流速测量点选取河床具有内凹处进行采样的目的在于更好的获得水流的分层接线；由于河床形状的不规则程度与水流的紊流及流阻成正相关；故而采用深度较大的测量点作为纵向流速测量点能够更好的采集到更多内流或者分流层流速差，以更加精准的获取到河道的实际流速分布情况，进而获取精准的流量信息。

步骤ST600 保持拉线不变，通过控制终端向智能流速测量装置发出放线信号，电机9驱动铰盘15旋转放线，单次放线长度不大于10cm，记录纵向流速测量标记点x _i+3 在不同深度h _i+3i 的流速x _i+3i ，直到智能流速测量装置浮出水面；通过收放线，且单次放线长度不大于10cm，加之在水下流体作用下测量装置并不能完全竖直向上升起，而是如图7-9所示的倾斜状态，故而根据直角三角形原理，实际处于竖直方向的距离将等于cosβ与单次放线长度的乘积，其中β等于柔性线束在水中与竖直方向的夹角。那么经过纵向流速测量标记采样后，能够在竖直方向以单次放线距离与cosβ的乘积为间隔长度进行不同深度的流速进行采用，从而获得同一河道截面的等速线。值得说明的是，多条等速线之间的跨度可以根据实际测量项目的要求进行自定义，相邻两条等速线之间的跨度越大则计算的流量精度越低，反之，相邻两条等速线之间的跨度越小则计算的流量精度越高。当纵向测量取样点之间的深度间隔无限小时，则速度变化是单调且线性的。但基于现实实际对水体流量测量的多种用途，尚无需达到如此高的精度，根据现有技术的浮标法或者经验公式计算的流量与实际流量之间的偏差可以超过50%，按照上述步骤对跨度不低于50米，平均深度不低于1.5米的河流进行取样测量获得的流量误差可以控制在理论值的3%以下，其中河流跨度越大的误差占比越小。

步骤ST700 通过步骤ST600获得的多个深度的纵向流速测量标记点x _i+3 -x _i+3i 绘制不同深度h _i+3i 与流速v _i+3i 的折线图，记录斜率最大点x _i+3kmax 对应的深度值h _kmax ，并将深度为h _kmax 作为当前河流的水下分流层；一般河床相对呈凹形，流体在接近河床附近的流速最慢，越靠近河流截面中心流速越快，但速度变化并不线性，河床和河流截面中心存在一个速度明显增快的过渡区，将该过渡区中线可认定为分流层，分流层与河床之间的空间流速最慢，河流截面中心流速最快，最快流速截面符合椭圆公式，该最快流速区域与分流层之间的流速介于最快流速与最慢流速之间，因此可以将整个河流断面分为三个部分分别计算流速和流量，这样可以避免现有技术中将河流表面的流速作为整体平均流速带来的最终流量结果的巨大偏差。

步骤ST800 以测量点x _i+3kmax 的金属球与智能流速测量装置之间的距离为标准，重复步骤ST300-ST400记录测量点x ¹（m ¹ ，v ¹ ，h ¹ ）……x ⁱ （m ⁱ ，v ⁱ ，h ⁱ ）；

步骤ST900 根据步骤ST400获得的测量点x ₁-x _i拟合获得河床边缘的边界曲线f （x），根据步骤ST800获得的测量点x ¹-x ⁱ 拟合获得分流层的边界曲线g（x），以最大深度h _max 对应点绘制纵向直线，以步骤ST700中流速最大的点绘制横向直线，所述纵向直线与横向直线的交点定义为最大流速范围的椭圆O的圆心，其中，椭圆O的长半轴p=17% L -22% L，L为水平面宽度，短半轴取h _kmax -h _vmax ，其中h _vmax 为流速最大点所在深度；所述边界曲线f (x)拟合通过多个离散点组成的多段曲线组成，则相邻两端点x _i 和x _i+1处对应的竖直方向的绝对值与已知测量点水平位置对应的深度关系函数值相等，则f _i （x _i ）=h _i ，同理，f _i （x _i+1 ）=h _i+1 i=1,2,3,4……n-1；

那么该多段曲线的一阶导数、二阶导数在相邻两端点处亦必然相等且在端点处的曲率为零，则有y _i = f _i-1 ^，， （x _i ）= f _i-1 ^， （x _i ）

；

则边界曲线f（x）可通过下式表示：

其中，i=1,2,3,4……n-1。

所述边界曲线g（x）通过下式表示：

其中，i=1,2,3,4……n-1。

步骤ST1000 通过积分分别获得边界曲线f（x）与水平面围成的不规则图形面积S₁、边界曲线g（x）与水平面围成的不规则图形面积S₂和椭圆O的面积S₃，如图10所示，则在时间T内流经河流测量横断面的水流量Q_t为：

其中，

为在S₀-S₁截面内的任意多个测量点流速平均值，且i为≥3的自然数；

为在S₁-S₃截面内的任意多个测量点流速平均值，且i为≥3的自然数；

为在S₃截面内的任意多个测量点流速平均值，且i为≥3的自然数。

本实施例中，为了进一步直观获知测量的位置，可通过另一根柔性线束在测量装置上绑扎一个漂浮于水面的白色或红色的浮标，用于随时观察测量装置的大概位置，该浮标只是用于直观的指示作用，对测量参数并不产生积极或者消极的影响。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种智能流速测量装置，其特征在于：包括可拆卸密闭连接形成流线型外壳体的前壳体（4）和后壳体（3），与成锥形设置的后壳体（3）较小端一体连接的第一套管（2），通过水流驱动旋转的螺旋桨（1），所述螺旋桨（1）轴向固连有传动轴（104），所述传动轴（104）与所述第一套管（2）气密转动连接且传动轴（104）自由端贯穿第一套管（2）与设置于外壳体内的发电机构（17）驱动连接，所述发电机构（17）电连接有用于检测发电机构（17）产生电压并转换为流速数据进行存储的电路板（7），所述电路板（7）还连接有控制终端；

还包括与所述电路板（7）电连接并通过电路板（7）控制进行收放线的铰盘机构，所述铰盘机构通过柔性线束连接有用于限制测量装置深度的定位金属球；所述前壳体（4）上具有检测孔（16），所述检测孔（16）内安装有与所述电路板（7）连接的用于检测水深的深度传感器（20），以及与电路板（7）电连接可充电的锂电池（6）；所述铰盘机构包括与后壳体（3）固定连接的支架（8），转动连接在所述支架（8）上用于容纳和收放线束的铰盘（15），与铰盘（15）依次驱动连接的减速器（10）和用于驱动铰盘（15）正/反转进行收放线的电机（9）；所述减速器（10）输出轴与第一驱动轴（11）连接，所述第一驱动轴（11）通过锥齿轮与第二驱动轴（12）驱动连接，所述第二驱动轴（12）上设置有与所述铰盘（15）啮合的齿轮或与铰盘（15）摩擦贴合驱动铰盘（15）转动的转轮；所述前壳体（4）底部设置有用于供线束通过的线管（19），所述线管（19）内设置有多层硅胶片，任一硅胶片上均设置有自然状态下处于闭合的开口；所述前壳体（4）内密闭设置有用于至少密闭盖合所述铰盘（15）和线管（19）延伸至前壳体（4）内部端头的密封罩（14）；所述外壳体内底部还设置有稳定外壳体在水下姿态的配重块（18）。

2.根据权利要求1所述的一种智能流速测量装置，其特征在于：所述电路板（7）包括基于单片机的中央处理器，与中央处理器连接用于初始化数据的复位电路，用于采集和计算深度信息和流速信息的运算电路，用于电机（9）发送控制指令的驱动电路，用于计时的时钟电路，以及用于与控制终端收发信息的无线射频通信模块。

3.一种河流流量测量方法，其特征在于：采用权利要求2所述的一种智能流速测量装置基于对河流横断面多点流速测量实现，具体包括以下步骤：

步骤ST100 确定河流待测量横断面，在待测量横断面两岸分别标记始点A和终点B；

步骤ST200 准备测量工具，将缠绕于铰盘机构上的线束自由端与金属球牢固绑扎，并将线束长度控制在河床淤泥深度以上，同时将长度大于待测横断面水面的拉线一端牢固绑扎于金属球并置于始点A，并将智能流速测量装置置于水面上，手持拉线另一端并置于终点B，使得拉线横跨待测河流表面；

步骤ST300 回收拉线使得智能流速测量装置完全淹没于水下为止，通过控制终端开启智能流速测量装置，同时，测量此时回收拉线长度m ₁，读取此时流速v ₁和深度h ₁ ，获得第一个测量点x ₁（m ₁，v ₁，h ₁）；

步骤ST400 继续回收拉线，以1米为单位，采用步骤ST300的方式记录第二个测量点x ₂（m ₂，v ₂，h ₂），直到智能流速测量装置到达终点B附近浮出水面无法采集到有效流速v位置，并依次记录各个测量点的信息x ₃（m ₃，v ₃，h ₃）……x _i（m _i ，v _i ，h _i ）；

步骤ST500 在步骤ST400过程中，当连续四个测量点x _i -x _i+3 对应的深度h _i -h _i+3 的任一绝对值增量小于17cm时，将测量点x _i+3 作为纵向流速测量标记点；

步骤ST600 保持拉线不变，通过控制终端向智能流速测量装置发出放线信号，电机（9）驱动铰盘（15）旋转放线，单次放线长度不大于10cm，记录纵向流速测量标记点x _i+3 在不同深度h _i+3i 的流速x _i+3i ，直到智能流速测量装置浮出水面；

步骤ST700 通过步骤ST600获得的多个深度的纵向流速测量标记点x _i+3 - x _i+3i 绘制不同深度h _i+3i 与流速v _i+3i 的折线图，记录斜率最大点x _i+3kmax 对应的深度值h _kmax ，并将深度为h _kmax 作为当前河流的水下分流层；

步骤ST800 以测量点x _i+3kmax 的金属球与智能流速测量装置之间的距离为标准，重复步骤ST300-ST400记录测量点x ¹（m ¹ ，v ¹ ，h ¹ ）……x ⁱ （m ⁱ ，v ⁱ ，h ⁱ ）；

步骤ST900 根据步骤ST400获得的测量点x ₁-x _i拟合获得河床边缘的边界曲线f（x），根据步骤ST800获得的测量点x ¹-x ⁱ 拟合获得分流层的边界曲线g（x），以最大深度h _max 对应点绘制纵向直线，以步骤ST700中流速最大的点绘制横向直线，所述纵向直线与横向直线的交点定义为最大流速范围的椭圆O的圆心，其中，椭圆O的长半轴p=17% L -22% L，L为水平面宽度，短半轴取h _kmax -h _vmax ，其中h _vmax 为流速最大点所在深度；

步骤ST1000 通过积分分别获得边界曲线f（x）与水平面围成的不规则图形面积S₀、边界曲线g（x）与水平面围成的不规则图形面积S₁和椭圆O的面积S₃，则在时间T内流经河流测量横断面的水流量Q_t为：

其中，

为在S₀-S₁截面内的任意多个测量点流速平均值，且i为≥3的自然数；

为在S₁-S₃截面内的任意多个测量点流速平均值，且i为≥3的自然数；

为在S₃截面内的任意多个测量点流速平均值，且i为≥3的自然数。

4.根据权利要求3所述的一种河流流量测量方法，其特征在于：所述边界曲线f (x)拟合通过多个离散点组成的多段曲线组成，则相邻两端点x _i 和x _i+1处对应的竖直方向的绝对值与已知测量点水平位置对应的深度关系函数值相等，则f _i （x _i ）=h _i ，同理，f _i （x _i+1 ）=h _i+1 i=1,2,3,4……n-1；

那么该多段曲线的一阶导数、二阶导数在相邻两端点处亦必然相等且在端点处的曲率为零，则有y _i = f _i-1 ^，， （x _i ）= f _i-1 ^， （x _i ）

；

则边界曲线f（x）可通过下式表示：

其中，i=1,2,3,4……n-1。

5.根据权利要求4所述的一种河流流量测量方法，其特征在于：所述边界曲线g（x）通过下式表示：

其中，i=1,2,3,4……n-1。

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