CN112729433A - 集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，包括安装及集成压力传感器与流速仪、计算测点流速观测与所述压力传感器的动静水头差、同步计算测点流速含沙量；可实现所有测线测点流速、含沙量的同步实时测量，河流流量、输沙量的现场同步计算；避免与流速同步的含沙量采样因实验室烘干、称重、标定过程而延后的时间，极大的提高水文测量时效；避免流速与含沙量测量不同步导致的大量相关性假定，提高含沙量测量的精度。该方法填补了河流流量和输沙量现场实时同步监测与计算方法的空白，有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。

Description

集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法
技术领域
本发明涉及水文测验应用技术领域，尤其涉及集成压力传感的河流流 量和输沙量现场实时同步监测方法。
背景技术
目前，用于河流流速测量的仪器主要包括机械式、声学等接触式流速 仪和雷达等非接触式流速仪，各类流速仪均只能用于河流流量测量，无法 同时开展河流输沙量测量。而用于含沙量测量的仪器主要包括采样器等称 重仪器、光电测沙仪、激光测沙仪以及同位素测沙仪等自动监测仪器，各 类测沙仪器只能测量含沙量，无法同步监测流速。然而，河流输沙量计算 需同时利用流速和含沙量成果，针对未同时测量流速的含沙量成果，只能 通过与以往流速成果的相关分析方法推求输沙量。
能实现流速、含沙量同时间测量的方法主要有横式采样器、积时式采 用器与流速仪集成，通过采集水样带回实验室经干燥、称重得出悬移质含 沙量，不能在现场直接取得含沙量数据。该类流速、含沙量测量方法不是 真正意义上的现场实时同步，往往得出现场流量计算结果后，还得等待 7-10天后实验室含沙量数据才能推求河流输沙量。
CN103675335A公布了一种瞬时流量和含沙量现场同步观测系统，通 过连接声学多普勒流速仪和悬移质取样器等，实现瞬时流速的含沙量同步 监测。但该方法仍然需要通过取样经实验室干燥、称重等步骤后，建立含 沙量与声学多普勒声强的关系才能实现流速和含沙量实时同步，含沙量是 一种相关成果而非实测成果，受环境影响因素极大。
因此，如何避开实验室含沙量繁复的过程直接在现场实时与流量同步 监测、同步推求河流流量和输沙量，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了集成压力传感的 河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，充分利用压力传感器小巧便于 安装集成。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测 方法，包括以下步骤：
S1、安装及集成压力传感器与流速仪：利用压力传感器极为小巧的特 点，将所述压力传感器固定在流速仪进水口前或测点位置前，所述压力传 感器和所述流速仪位于同一水平面且轴向相同；或采用以上原理制造的流 速含沙量同步测量仪器，利用流速仪测量载体将集成仪器放至流量测验断 面测流垂线i的测点j上，并尽可能使轴向平行于水流流线；
S2、计算测点流速观测与所述压力传感器的动静水头差：采用集成的 流速仪测量测点流速Vij，利用测出的流速值Vij按公式
Figure BDA0002865139620000021
计算压力传 感器表面的动静水头差,ΔHij为测验断面测流垂线i测点j上的压力传感器 表面流速导致的动静水水头差,g为重力加速度；
S3、同步计算测点流速含沙量：根据施测的所有测流垂线测点流速 Vij、实测水深Hij和压力传感器同步测量的水深HPij，按推求的公式计算 含有泥沙的水的密度
Figure BDA0002865139620000031
计算与流速测量同步时间的测点含 沙量为Csij＝ρsij-ρw,ρw为水的密度；采用多点法计算测流垂线的垂线平均 流速和垂线平均含沙量，再按《河流流量测验规范》和《河流悬移质泥沙 测验规范》的流速面积法、部分输沙率求和法现场同步计算断面流量和输 沙量。
进一步，所述河流包括天然河流、渠道、湖泊、水库各类水体。
进一步，所述步骤S1中，流速仪测量载体包括但不限于测杆、测绳、 缆道。
进一步，所述步骤S1中，所述轴向平行于水流流线指压力传感器和 流速仪轴线与水流方向平行，并尽可能减少对水流的扰动。
进一步，所述流速仪包括但不限于基于机械、声学、光学、同位素原 理制造的接触式流速仪。
进一步，所述压力传感器包括但不限于基于压阻、气泡原理制造的压 力传感器。
进一步，所述压力传感器动静水头差，指因压力传感器表面流速导致 的动静水水头差
Figure BDA0002865139620000032
系根据流体力学的伯努利方程推求。
进一步，所述步骤S3中，所述实测水深Hij包括但不限于采用测杆、 测绳、缆道等流速仪测量载体，以及其它高清度测深仪器测量的水深。
进一步，所述步骤S3中，所述压力传感器同步测量的水深HPij，指根 据压力传感器测量的压强经转换计算的水深，受流速和含沙量影响。
进一步，所述步骤S3中，所述现场计算断面流量和输沙量，指在所 有测点流速和含沙量测量完成后，现场同时直接计算断面流量和输沙量， 不必经过实验室烘干、称重等含沙量计算或标定的过程。
本发明的有益效果为：1)可实现所有测线测点流速、含沙量的同步 实时测量，河流流量、输沙量的现场同步计算；
2)避免与流速同步的含沙量采样因实验室烘干、称重、标定过程而 延后的时间，极大的提高水文测量时效；
3)避免流速与含沙量测量不同步导致的大量相关性假定，提高含沙 量测量的精度。该方法填补了河流流量和输沙量现场实时同步监测与计算 方法的空白，有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本 发明，并不用于限定本发明。
基于集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，包括 压力传感器与流速仪集成及安装方法、测点流速观测与压力传感器动静水 头差计算方法、测点流速含沙量同步计算方法、河流流量和输沙量现场同 步计算方法。
所述压力传感器与流速仪集成及安装方法：利用压力传感器极为小巧 的特点，将压力传感器固定在流速仪进水口前或测点位置前，两者位于同 一水平面且轴向相同，或采用以上原理制造的流速含沙量同步测量仪器， 利用流速仪测量载体将集成仪器放至流量测验断面测流垂线i的测点j上， 并尽可能使轴向平行于水流流线；
所述测点流速观测与压力传感器动静水头差计算方法：采用集成的流 速仪测量测点流速Vij，利用测出的流速值Vij按公式
Figure BDA0002865139620000051
计算压力传感 器表面的动静水头差,ΔHij为测验断面测流垂线i测点j上的压力传感器表 面流速导致的动静水水头差，g为重力加速度；
所述测点流速含沙量同步计算方法：根据流速测量时的实测水深Hij和压力传感器同步测量的水深HPij，按公式计算含有泥沙的水的密度
Figure BDA0002865139620000052
与流速测量同步时间的测点含沙量为Csij＝ρsij-ρw,ρw为 水的密度；
所述河流流量和输沙量现场同步计算方法：根据施测的所有测流垂线 测点流速Vij和含沙量Csij，采用多点法计算测流垂线的垂线平均流速和垂 线平均含沙量，再按《河流流量测验规范》和《河流悬移质泥沙测验规范》 的流速面积法、部分输沙率求和法现场计算断面流量和输沙量。
作为本发明的一种技术优化方案，所述河流包括天然河流、渠道、湖 泊、水库等各类水体。
作为本发明的一种技术优化方案，在压力传感器与流速仪集成及安装 方法，所述流速仪测量载体包括但不限于测杆、测绳、缆道等。
作为本发明的一种技术优化方案，在压力传感器与流速仪集成及安装 方法，所述轴向平行于水流流线指压力传感器和流速仪轴线与水流方向平 行，并尽可能减少对水流的扰动。
作为本发明的一种技术优化方案，所述流速仪包括但不限于基于机 械、声学、光学、同位素等原理制造的接触式流速仪。
作为本发明的一种技术优化方案，所述压力传感器包括但不限于基于 压阻、气泡等原理制造的压力传感器。
作为本发明的一种技术优化方案，所述压力传感器动静水头差，指因 压力传感器表面流速导致的动静水水头差
Figure BDA0002865139620000061
系根据流体力学的伯 努利方程推求。
作为本发明的一种技术优化方案，在测点流速含沙量同步计算方法， 所述实测水深Hij包括但不限于采用测杆、测绳、缆道等流速仪测量载体， 以及其它高清度测深仪器测量的水深。
作为本发明的一种技术优化方案，在测点流速含沙量同步计算方法， 所述压力传感器同步测量的水深HPij，指根据压力传感器测量的压强经转 换计算的水深，受流速和含沙量影响。
作为本发明的一种技术优化方案，在河流流量和输沙量现场同步计算 方法，所述现场计算断面流量和输沙量，指在所有测点流速和含沙量测量 完成后，可现场同时直接计算断面流量和输沙量，不必经过实验室烘干、 称重等含沙量计算或标定的过程。
实施例一
(1)压力传感器与流速仪集成及安装
利用压力传感器极为小巧的特点，将压力传感器固定在基于机械、声 学、光学、同位素等原理制造的接触式流速仪进水口前或测点位置前，两 者位于同一水平面且轴向相同，或采用以上原理制造的流速含沙量同步测 量仪器，利用测杆、测绳、缆道等流速仪测量载体将集成仪器放至流量测 验断面测流垂线i的测点j上，并尽可能使轴向平行于水流流线。
(2)测点流速观测与压力传感器动静水头差计算
采用集成的流速仪测量测点流速Vij，利用测出的流速值Vij按公式
Figure BDA0002865139620000071
计算压力传感器表面因流速导致的动静水水头差，计算公式系根 据流体力学的伯努利方程推求。ΔHij为测验断面测流垂线i测点j上的压力 传感器表面流速导致的动静水水头差,g为重力加速度。
(3)测点流速含沙量同步计算
根据流速测量时的实测水深Hij和压力传感器同步测量的水深HPij，按 公式计算含有泥沙的水的密度
Figure BDA0002865139620000072
与流速测量同步时间的测 点含沙量为Csij＝ρsij-ρw,ρw为水的密度。实测水深Hij为采用测杆、测绳、 缆道等流速仪测量载体，以及其它高清度测深仪器测量的水深；压力传感 器同步测量的水深HPij，指根据压力传感器测量的压强经转换计算的水深， 受流速和含沙量影响。
(4)河流流量和输沙量现场同步计算
根据施测的所有测流垂线测点流速Vij和含沙量Csij，采用多点法计算 测流垂线的垂线平均流速和垂线平均含沙量，再按《河流流量测验规范》 和《河流悬移质泥沙测验规范》的流速面积法、部分输沙率求和法现场计 算断面流量和输沙量。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详 细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对 于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做 出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的 保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、安装及集成压力传感器与流速仪：利用压力传感器极为小巧的特点，将所述压力传感器固定在流速仪进水口前或测点位置前，所述压力传感器和所述流速仪位于同一水平面且轴向相同；或采用以上原理制造的流速含沙量同步测量仪器，利用流速仪测量载体将集成仪器放至流量测验断面测流垂线i的测点j上，并尽可能使轴向平行于水流流线；
S2、计算测点流速观测与所述压力传感器的动静水头差：采用集成的流速仪测量测点流速Vij，利用测出的流速值Vij按公式
Figure FDA0002865139610000011
计算压力传感器表面的动静水头差,ΔHij为测验断面测流垂线i测点j上的压力传感器表面流速导致的动静水水头差,g为重力加速度；
S3、同步计算测点流速含沙量：根据施测的所有测流垂线测点流速Vij、实测水深Hij和压力传感器同步测量的水深HPij，按推求的公式计算含有泥沙的水的密度
Figure FDA0002865139610000012
计算与流速测量同步时间的测点含沙量为Csij＝ρsij-ρw,ρw为水的密度；采用多点法计算测流垂线的垂线平均流速和垂线平均含沙量，再按《河流流量测验规范》和《河流悬移质泥沙测验规范》的流速面积法、部分输沙率求和法现场同步计算断面流量和输沙量。
2.根据权利1所述的集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于：所述河流包括天然河流、渠道、湖泊、水库各类水体。
3.根据权利要求1所述的集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于：所述步骤S1中，流速仪测量载体包括但不限于测杆、测绳、缆道。
4.根据权利要求1所述的集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述轴向平行于水流流线指压力传感器和流速仪轴线与水流方向平行，并尽可能减少对水流的扰动。
5.根据权利要求1所述的集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于：所述流速仪包括但不限于基于机械、声学、光学、同位素原理制造的接触式流速仪。
6.根据权利要求1所述的集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于：所述压力传感器包括但不限于基于压阻、气泡原理制造的压力传感器。
7.根据权利要求1所述的集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于：所述压力传感器动静水头差，指因压力传感器表面流速导致的动静水水头差
Figure FDA0002865139610000021
系根据流体力学的伯努利方程推求。
8.根据权利要求1所述的集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述实测水深Hij包括但不限于采用测杆、测绳、缆道等流速仪测量载体，以及其它高清度测深仪器测量的水深。
9.根据权利要求1所述的集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述压力传感器同步测量的水深HPij，指根据压力传感器测量的压强经转换计算的水深，受流速和含沙量影响。
10.根据权利要求1所述的集成压力传感的河流流量和输沙量现场实时同步监测方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述现场计算断面流量和输沙量，指在所有测点流速和含沙量测量完成后，现场同时直接计算断面流量和输沙量，不必经过实验室烘干、称重等含沙量计算或标定的过程。
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