CN112781660A - 明渠断面流量自动采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种明渠断面流量自动采集系统及方法，该系统包括：N个流速采集单元和N个淤泥厚度采集单元，流速采集单元用于采集明渠的同一断面内不同位置的水流流速V_i，淤泥厚度采集单元用于采集同一断面内不同位置的淤泥高度d_i；N个支撑保护单元，N个支撑保护单元均匀分布于明渠的同一断面内；支撑保护单元与明渠的渠底固定连接，支撑保护单元具有支撑部；支撑保护单元用于支撑以及保护所述流速采集单元和淤泥厚度采集单元；水位采集单元，其用于采集水位高度h；数据处理单元，其用于处理流速采集单元、淤泥厚度采集单元和水位采集单元相应所采集的数据，并得到断面流量Q。本发明测量准确性高，适用范围广。

Description

明渠断面流量自动采集系统及方法

技术领域

本发明涉及一种明渠断面流量自动采集系统及方法。

背景技术

目前，市场上用于明渠流量自动采集的系统种类很多，例如使用超声波时差法、多普勒流速仪法、水力学法、测控一体化闸门等，但以上的方法遇到渠道流态复杂、流速缓慢、水体含沙量大、易淤积、水位变幅大等非理想条件，这些方法的测量就会偏差较大，并且后期系统率定周期较长，需要专业人员操作，对使用人员的要求较高，推广使用难度较大。

CN107764339A公开了一种明渠断面流量测量装置。该装置包括显示终端、支承架、电缆、传感器和传感器放置箱，所述支承架设置于河渠沿岸，所述传感器放置箱设置于河渠底部，所述显示终端置于支承架上，所述传感器摆放于传感器放置箱内，所述显示终端与传感器通过电缆连接，所述电缆与传感器的接合部设置有防水接头，所述防水接头由接头体防水罩、接头体、紧固体和紧固体防水套组成，所述接头体防水罩和接头体为形成一体的结构，所述紧固体和紧固体防水套为形成一体的结构。该专利文献的装置在遇到渠底淤积变化时，测量不够准确。而且传感器容易被损坏。

CN108801370A公开了一种明渠断面流量在线点式测量装置。该装置包括显示终端、传感器、传感器放置装置、传感器移动装置、浮球、收放电机，所述显示终端设置在河渠沿岸，所述传感器移动装置开设有内腔，所述传感器移动装置内腔中设置有第二收放电机，所述第二收放电机通过钢丝绳与所述传感器放置装置连接，所述传感器放置在所述传感器放置装置内，所述传感器移动装置设置有防水孔。该专利文献只是通过上下移动传感器测量不同点的明渠的流量，测量结果的准确性仍待提高。

CN110243423A公开了河道流量计算系统，包括：采集模块，用于获取测流断面历史实测流量数据，包括测速垂线垂线平均流速横向分布数据；处理模块，用于对所述测速垂线垂线平均流速横向分布数据进行处理，绘制测站垂线平均流速归一标准曲线图；计算单元，用于确定所述归一标准曲线的外包线，并将当前实测的测速垂线流速数据进行归一化处理，然后与归一标准曲线的外包线进行比对，对超出外包线的数据，通过归一标准曲线进行纠正，将纠正后得到的测速垂线流速数据用于河道流量计算。该专利文献采用非接触式雷达波测流方式。

CN201548260U公开一种淤沙渠道流量测量装置。该装置包含淤沙渠道流量计、淤沙厚度传感器和水位计，淤沙厚度传感器设置在河道底部，与淤沙渠道流量计相连接，水位计也与淤沙渠道流量计相连接。淤沙渠道流量计通过采集水面水位信号、淤沙厚度计算出有效水位，根据已知公式计算得到河渠的瞬时流量并同时计算累计流量，通过通讯方式上位机可随时采集淤沙渠道流量计的各种数据以实现水资源管理。该专利文献中的测量装置的测量准确性仍待提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种明渠断面流量自动采集系统，该系统不勾挂漂浮物，不会产生伏打效应，对渠道流态几乎不产生影响，测量准确性高。该系统可安装在未衬砌，非标准断面的渠道，适用范围广。进一步地，该系统可以实现渠道断面流量24小时连续检测，大大降低测流人员的工作强度，并可以提高检测数据的准确性和连续性，提高水资源监测能力。更进一步地，该系统可实现渠道过水断面面积变化实时监测、可通过数据处理单元对渠道断面形状进行连续修正，精确计算断面面积。本发明的另一个目的在于提供一种采用明渠断面流量自动采集系统进行自动采集断面流量的方法。

本发明通过如下技术方案达到上述目的。

本发明提供一种明渠断面流量自动采集系统，包括：

N个流速采集单元和N个淤泥厚度采集单元，所述流速采集单元和淤泥厚度采集单元均匀分布于明渠的同一断面内；所述流速采集单元用于采集同一断面内不同位置的水流流速V_i并传送至数据处理单元，所述淤泥厚度采集单元用于采集同一断面内不同位置的淤泥高度 d_i并传送至数据处理单元；

N个支撑保护单元，所述支撑保护单元设置为能够固定于明渠的渠底；所述支撑保护单元包括支撑部，所述支撑部包括具有坡度的支撑部上表面；任意一个所述支撑保护单元上相应设置有一个流速采集单元和一个淤泥厚度采集单元，所述支撑保护单元用于支撑以及保护所述流速采集单元和淤泥厚度采集单元；

其中，N为大于或等于1的奇数；i为小于等于N的自然数；

水位采集单元，其用于采集水位高度h并传送至数据处理单元；

数据处理单元，其分别与所述流速采集单元、淤泥厚度采集单元和水位采集单元相连；所述数据处理单元用于收集并处理流速采集单元、淤泥厚度采集单元和水位采集单元相应所采集的数据，并得到断面流量Q。

根据本发明的明渠断面流量自动采集系统，优选地，

所述支撑保护单元还包括底座，其设置为能够固定于所述明渠的渠底；所述支撑部固定在所述底座上；

所述支撑部为三棱柱结构，其侧面呈直角三角形；该直角三角形的一个锐角α≤30°。

根据本发明的明渠断面流量自动采集系统，优选地，

所述支撑保护单元还包括连接部和测量部；

所述连接部用于将所述测量部和所述支撑部连接；

所述连接部为四棱柱结构，其侧面呈平行四边形；该平行四边形的短边B小于所述支撑部的锐角α相对的直角边A；

所述测量部为长方体结构，其侧面呈长方形；该长方形的短边C 的长度小于或等于所述平行四边形的短边B。

根据本发明的明渠断面流量自动采集系统，优选地，

所述支撑部的侧面、所述连接部的侧面和所述测量部的侧面共平面；

所述连接部包括具有坡度的连接部上表面；所述支撑部上表面和所述连接部上表面共平面；

所述连接部的下表面以及所述测量部的下表面所在平面高于所述支撑部的下表面所在平面。

根据本发明的明渠断面流量自动采集系统，优选地，所述淤泥厚度采集单元的采集端位于所述测量部的下表面上，且设置为与明渠的水流接触；所述流速采集单元的采集端位于所述测量部的侧面上，且设置为与水流接触。

根据本发明的明渠断面流量自动采集系统，优选地，所述支撑部的两侧设置有吊装孔；所述支撑部在其与所述连接部相连接的面上设置有溢水排沙孔，该溢水排沙孔位于所述连接部的下方。

根据本发明的明渠断面流量自动采集系统，优选地，所述测量部的一个侧面上设置有用于供所述流速采集单元的采集端安装的安装孔；所述测量部的另一个侧面上设置有检修孔；所述支撑部、连接部和测量部为不锈钢板形成的空心结构，且所述测量部与所述支撑部相连通。

根据本发明的明渠断面流量自动采集系统，优选地，

还包括太阳能供电单元，所述流速采集单元、淤泥厚度采集单元、水位采集单元、数据处理单元分别与所述太阳能供电单元相连，所述太阳能供电单元用于对与其相连的单元供电；

所述数据处理单元和太阳能供电单元设置于明渠的渠岸上；所述水位采集单元设置于明渠的水面上方。

本发明还提供一种采用如上所述的明渠断面流量自动采集系统进行自动采集断面流量的方法，包括以下步骤：

(1)水位采集单元采集水位高度h并传送至数据处理单元；

(2)N个淤泥厚度采集单元采集明渠的同一断面内不同位置的淤泥高度d_i，并传送至数据处理单元；

(3)采集测速垂线间截面面积S_n并传送至数据处理单元；

(4)N个流速采集单元采集明渠的同一断面内不同位置的水流流速V_i并传送至数据处理单元；

(5)数据处理单元将接收到的各数据进行处理，得到断面流量 Q；并将各数据整理、存储及上传至监控中心系统。

根据本发明的方法，优选地，数据处理单元采用以下公式处理得到断面流量Q:

(1)V_n＝V_i/(c+k×(h₁/(h-d_i)))；

其中，c是常数，k是流速系数，h₁是流速采集单元与水面之间的距离；V_n为测速垂线间截面平均流速；

(2)Q_n＝V_n×S_n；

S_n＝0.5×(h_i+h_i-1)×L；

h_i＝h-d_i；

h_i-1＝h-d_i-1；

其中，h_i、h_i-1分别为相邻测速垂线水深，L为相邻测速垂线间距；S_n为测速垂线间截面面积，Q_n为测速垂线间截面流量；

(3)Q＝Q₁+Q₂+……+Q_N；

其中，N为支撑保护单元的个数。

本发明的明渠断面流量自动采集系统通过采用具有支撑部的支撑保护单元可以不勾挂漂浮物，不会产生伏打效应，对渠道流态几乎不产生影响，测量准确性高。该系统可以安装在未衬砌、非标准断面的渠道，适用范围广。该系统结构简单，成本低廉。进一步地，该系统可实现渠道过水断面面积变化实时监测、可通过数据处理单元对渠道断面形状进行连续修正，精确计算断面面积，提高测量准确性。此外，该系统可以在淤积变化幅度0.5米以内精确测量，精度可达到±1cm。该系统测流精度可以达到±5％以内。与现有技术相比，测量精度可以提高5个百分点以上。

附图说明

图1为本发明的一种明渠断面流量自动采集系统的整体示意图。

图2为本发明的一种支撑保护单元的整体示意图。

图3为图2的侧面示意图。

图4为图2的俯视示意图。

图5为本发明的一种自动采集断面流量的方法的流程示意图。

附图标记说明：

100-流速采集单元；200-淤泥厚度采集单元；300-支撑保护单元；310-底座；320-支撑部；321-支撑部上表面；322-支撑部的侧面；3221-直角边；323-溢水排沙孔；324-吊装孔；330-测量部；331- 测量部的上表面；332-测量部的侧面；3321-长方形的短边；340-连接部；341-连接部上表面；342-连接部的侧面；3421-平行四边形的短边；400-水位采集单元；500-数据处理单元；600-太阳能供电单元。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明提供的明渠断面流量自动采集系统包括流速采集单元、淤泥厚度采集单元、支撑保护单元、水位采集单元、数据处理单元和太阳能供电单元。

本发明的流速采集单元和淤泥厚度采集单元分别为N个。N为大于或等于1的奇数，优选为大于或等于3的奇数，更优选为大于或等于5的奇数。

N个流速采集单元和N个淤泥厚度采集单元在明渠的同一断面上均匀分布。流速采集单元用于采集明渠断面内不同位置的水流流速 V_i并传送至数据处理单元，所述淤泥厚度采集单元用于采集明渠断面内不同位置的淤泥高度d_i并传送至数据处理单元。一个流速采集单元和一个淤泥厚度采集单元基本上相应采集同一位置的水流流速V_i和淤泥厚度d_i。其中，i为小于等于N的自然数。这样有利于准确测定明渠断面流量。

根据本发明的一个具体实施方式，流速采集单元为电磁流速仪；淤泥厚度采集单元为淤泥厚度传感器。

在本发明中，流速采集单元可以为本领域已知的电磁流速仪，优选为CN209764905U中的实施例中的电磁流速仪，比如可以为实施例 4的电磁流速仪。

本发明的支撑保护单元为N个。N为大于或等于1的奇数，优选为大于或等于3的奇数，更优选为大于或等于5的奇数。根据使用环境(被测渠道宽度)确定支撑保护单元的数量，间距不得大于5米。

N个支撑保护单元均匀分布于明渠的同一断面内。支撑保护单元与明渠的渠底固定连接。任意一个支撑保护单元上均相应设置有一个流速采集单元和一个淤泥厚度采集单元。具体地，其中一个流速采集单元和其中一个淤泥厚度采集单元相应设置于其中一个所述支撑保护单元的支撑部的顶端的一侧。支撑保护单元用于支撑以及保护流速采集单元和淤泥厚度采集单元。本发明发现的支撑保护单元几乎不会对流态产生影响，不会改变明渠渠道断面形状，而且不会因为安装该支撑保护单元导致施测断面有漂浮物钩挂、淤积等情况。

本发明的支撑保护单元包括底座、支撑部、连接部和测量部。

底座与明渠的渠底固定连接。具体地，可通过螺栓固定连接。这样有利于将支撑保护单元固定于明渠的渠底。

支撑部设置于底座上。支撑部包括具有坡度的支撑部上表面。支撑部为三棱柱结构，支撑部的侧面呈直角三角形。该直角三角形的一个锐角α≤30°，优选为≤22～28°，更优选为≤24～26°。即支撑部为斜坡结构。这样一方面形成锐角的支撑部，不会对明渠流态产生影响，另一方面支撑部和连接部的特定结构，以在支撑部靠近连接部的面上形成溢水排沙孔。

在本发明中，直角三角形的锐角α为支撑部上表面与底座(支撑部的下表面)之间的夹角。根据本发明的一个具体实施方式，锐角α为25±0.2°。

支撑部的两侧设置有吊装孔。通过吊装孔便于对支撑保护单元进行吊装。支撑部与底座的相连处设置有加固件。这样有利于支撑保护单元的稳固。

在本发明中，支撑部为不锈钢板形成的空心结构。根据本发明的一个具体实施方式，支撑部上表面的宽度为8cm。支撑部的迎水面 (即支撑部上表面)及侧面使用整张不锈钢板切割，减少因焊接造成表面凸起等对水体流速的干扰。

连接部用于将测量部和支撑部连接。连接部为四棱柱结构，连接部的侧面呈平行四边形。该平行四边形的短边B小于支撑部的锐角α相对的直角边A。这样有利于在支撑部与连接部相连的面上设置有溢水排沙孔，且使得溢水排沙孔远离测量部，以避免溢水排沙孔对流速速采集单元和淤泥厚度采集单元测量的影响确保测量的准确性。

在某些实施方案中，连接部包括具有坡度的连接部上表面。支撑部上表面和连接部上表面共平面。这样不会对渠道流态造成影响。测量部位于连接部远离支撑部的一侧。测量部的上表面与连接部的顶边处于同一高度，亦即连接部的顶边(高度最高的边)位于测量部的上表面所在平面。

在某些实施方案中，测量部为长方体结构，测量部的侧面呈长方形。该长方形的短边C的长度小于所述平行四边形的短边B。在另一些实施方案中，该长方形的短边C的长度等于所述平行四边形的短边B。

根据本发明的一个具体实施方式，淤泥厚度采集单元的采集端位于所述测量部的下表面上，且设置为与明渠的水流接触。流速采集单元的采集端位于所述测量部的侧面上，且设置为与水流接触。

在某些实施方案中，支撑部的侧面、连接部的侧面和测量的侧面共平面。连接部的下表面以及测量部的下表面所在平面高于支撑部的下表面所在平面。

支撑部在其与连接部相连接的面(与锐角α相对的面)上设置有溢水排沙孔。且溢水排沙孔位于连接部的下方。溢水排沙孔从下到上等距设置有多个。这样一方面平衡支撑保护单元，另一方面可以在停水期保证支撑保护单元内不存水，防止结冰冻胀破坏。

在本发明中，测量部的一个侧面上设置有用于供流速采集单元的采集端安装的安装孔。测量部的另一个侧面上设置有检修孔。

测量部为不锈钢板形成的空心结构。测量部与连接部、支撑部相连通。在本发明中，不锈钢板可以为304不锈钢板，厚度为4mm。

本发明通过设置具有锐角的支撑部的支撑保护单元，一方面可以保护传感器设施，另一方面该支撑保护单元迎水面积小，能避免漂浮物的钩挂，提高采集(测量)准确性。并且通过连接部的设置使得流速采集单元和淤泥厚度采集单元远离溢水排沙孔，提高测量的准确性。

在本发明中，水位采集单元用于采集水位高度h并传送至数据处理单元。水位采集单元设置于水面上方。根据本发明的一个实施方式，本发明的水位采集单元为水位计。根据本发明的一个具体实施方式，本发明的水位采集单元为非接触式雷达水位计。

本发明的数据处理单元分别与流速采集单元、淤泥厚度采集单元和水位采集单元相连。数据处理单元用于收集和处理流速采集单元、淤泥厚度采集单元和水位采集单元相应所采集的数据，并得到断面流量Q。

本发明的太阳能供电单元与流速采集单元、淤泥厚度采集单元、水位采集单元和数据处理单元分别相连。太阳能供电单元用于对与其相连的单元供电。这样有利于环保用电，并且停水期也无需拆除该系统或人工看护该系统。

本发明的数据处理单元、太阳能供电单元设置于明渠的渠岸上。

本发明的明渠断面流量自动采集系统通过采用具有支撑部的支撑保护单元可以不勾挂漂浮物，不会产生伏打效应，对渠道流态产生的影响较小，测量准确性高。可以长期放置在水中，壳体糙率(壳体表面与水接触部分的光滑程度)不会发生变化，不影响已率定成果。可实现渠道过水断面面积变化实时监测、可通过数据处理单元对渠道断面形状进行连续修正，精确计算断面面积。该系统可安装在未衬砌、非标准断面的渠道。该系统结构简单，成本低廉，建设成本和后期维护成本远远小于目前市场同类型产品。该系统可完实现渠道断面流量 24小时连续检测，大大降低了测流人员的工作强度，提高检测数据准确性和连续性、提高水资源监测能力。淤积变化幅度0.5米以内可以精确测量，精度可达到±1cm。该系统测流精度可以达到±5％以内。

本发明还提供一种利用如上所述的明渠断面流量自动采集系统进行自动采集断面流量的方法，包括以下步骤：

(1)水位采集单元采集水位高度h并传送至数据处理单元；

(2)N个淤泥厚度采集单元采集明渠的同一断面内不同位置的淤泥高度d_i，并传送至数据处理单元；

(3)采集测速垂线间截面面积S_n并传送至数据处理单元；

(4)N个流速采集单元采集明渠的同一断面内不同位置的水流流速V_i并传送至数据处理单元；

(5)数据处理单元将接收到的各数据进行处理，得到断面流量 Q；并将各数据整理、存储及上传至监控中心系统。

在本发明中，本发明的方法还包括在明渠断面流量自动采集系统进行自动采集断面流量之前，该系统进行自检，确定系统无异常。

步骤(1)中，水位采集单元采集水位高度h，并判断是否为有效水位。这可以根据设定的高度参数进行判断，可以参考现有技术，在此不做赘述。若为有效水位则进行步骤(2)，若非为有效水位则返回系统自检步骤；

步骤(3)中，可以参考现有技术，先在断面上加密布设测深垂线实现渠道断面精准模拟；通过在测深垂线中，选择若干条同时兼作测速垂线。然后采集各测速垂线间截面面积S_n。

步骤(4)中，还包括对水流流速V_i进行筛选并判断是否有效；异常数据可直接剔除。

步骤(5)中，数据处理单元采用如下公式处理得到断面流量Q (或称为过截面流量，即总的断面流量)。

在本发明中，数据处理单元采用以下公式处理得到断面流量Q:

(1)V_n＝V_i/(c+k×(h₁/(h-d_i)))；

其中，c是常数，k是流速系数，h₁是流速采集单元与水面之间的距离；

(2)Q_n＝V_n×S_n；

S_n＝0.5×(h_i+h_i-1)×L；

h_i＝h-d_i；

h_i-1＝h-d_i-1；

其中，h_i、h_i-1为相邻测速垂线水深，L为相邻测速垂线间距；

(3)Q＝Q₁+Q₂+……+Q_N；

其中，公式(1)中，数据处理单元将从流速采集单元、淤泥厚度采集单元和水位采集单元收集得到的同一断面内不同位置的水流流速V_i、淤泥厚度d_i，以及水位高度h处理后得到V_n。V_n为测速垂线间截面平均流速。V_i指的是流速采集单元采集的明渠的同一断面内不同位置的水流流速。d_i指的是淤泥厚度采集单元测量的明渠的同一断面内不同位置的淤泥高度。h指的是水位采集单元采集的水位高度。

公式(2)中，S_n为测速垂线间截面面积，Q_n为测速垂线间截面流量。N为支撑保护单元个数。i为小于等于N的自然数。即通过公式(2)，计算得到各部分流量。

通过公式(3)，得到总的断面流量Q，单位为m³/s。比如，当N 为1时，Q＝Q₁。当N为3时，Q＝Q₁+Q₂+Q₃。当N为5时， Q＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅。

即先计算出各个测速垂线间截面平均流速V_n；然后计算出各个测速垂线间截面流量Q_n(即各部分的流量计算)；将各个测速垂线间截面流量Q_n相加，即得到总的断面流量Q(或称为过截面流量Q)。通过优化算法，可以提高测量或采集的准确度。通过将本发明的明渠断面流量自动采集系统与特定的公式相结合使用，可以更准确地得到断面流量Q，提高了测量精度。数据处理单元将各数据上传至监控中心系统，从而有利于对断面流量进行实时监控。

步骤(5)之后，还包括返回系统自检步骤，进行下一次断面流量采集。

本发明的方法可实现渠道过水断面面积变化实时监测、可通过数据处理单元对渠道断面形状进行连续修正，精确计算断面面积，提高测量准确性。

实施例1

图1为本发明的一种明渠断面流量自动采集系统的整体示意图。

本实施例的明渠断面流量自动采集系统包括流速采集单元100、淤泥厚度采集单元200、支撑保护单元300、水位采集单元400、数据处理单元500和太阳能供电单元600。

流速采集单元100可以为电磁流速仪(电磁流速仪可以为本领域常用的那些，例如CN209764905U中的实施例4的电磁流速仪)。淤泥厚度采集单元200可以为淤泥厚度传感器。

本实施例的流速采集单元100和淤泥厚度采集单元200分别为5 个。5个流速采集单元100和5个淤泥厚度采集单元200在明渠的同一断面内均匀分布。一个流速采集单元100和一个淤泥厚度采集单元 200基本上相应设置于同一位置。流速采集单元100用于测量明渠断面内不同位置的水流流速V_i并传送至数据处理单元500。淤泥厚度采集单元200用于测量明渠的同一断面内不同位置的淤泥高度d_i并传送至数据处理单元500。i＝1，2，3，4，5，即采集得到水流流速V₁、 V₂、V₃、V₄、V₅，淤泥高度d₁、d₂、d₃、d₄、d₅。

图2为本发明的一种支撑保护单元的整体示意图。图3为图2的侧面示意图。图4为图2的俯视示意图。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例的支撑保护单元300 为5个。5个支撑保护单元均匀分布于明渠的同一断面内。支撑保护单元300与明渠的渠底固定连接。任意一个支撑保护单元300上均相应设置有一个流速采集单元100和一个淤泥厚度采集单元200。支撑保护单元300用于支撑以及保护流速采集单元100和淤泥厚度采集单元200。

支撑保护单元300包括底座310、支撑部320、连接部340和测量部330。

底座310与明渠的渠底固定连接，具体地，可通过螺栓固定连接。

支撑部320固定设置于底座310上。支撑部320具有支撑部上表面321、支撑部的侧面322。支撑部上表面321具有坡度。支撑部上表面321迎向明渠的水流方向设置。支撑部320的下表面设置于底座 310上。支撑部320为三棱柱结构，两个支撑部的侧面322呈直角三角形。该直角三角形的一个锐角α为25.11°。

支撑部320的两侧设置有吊装孔324。支撑部320与底座310的相连处设置有加固件。

连接部340设置于支撑部320和测量部330之间，用于将测量部 330和支撑部320连接。连接部340为四棱柱结构，连接部的侧面 342呈平行四边形。该平行四边形的短边B3421小于支撑部320的锐角α相对的直角边3221(直角边A)。连接部340包括具有坡度的连接部上表面341。支撑部上表面321和连接部上表面341共平面。连接部的侧面342和支撑部的侧面322共平面。

在本实施例中，支撑部上表面321和连接部上表面341的长度之和为203cm。支撑部上表面321和连接部上表面341的宽度均为8cm (即迎水面宽度为8cm)。支撑部的侧面322与支撑部320的下表面相交所得的相交线的长度为150cm，即直角三角形的长直角边为150cm。

测量部330位于连接部340远离支撑部320的一侧。测量部330 为长方体结构。测量部的侧面332呈长方形。该长方形的短边3321 (短边C)的长度等于连接部的平行四边形的短边3421(短边B)。测量部的上表面331与连接部340的顶边处于同一高度，亦即连接部 340的顶边(高度最高的边)位于测量部的上表面331所在平面。。测量部的侧面332上设置有用于供所述流速采集单元100安装的安装孔。与测量部的侧面332相对的侧面上置有检修孔。具体地，流速采集单元100的采集端通过安装孔设置于测量部的侧面332上，并与水流接触，淤泥厚度采集单元200的采集端位于测量部330的下表面上并与水流接触。

支撑部的侧面322、连接部的侧面342和测量部的侧面332共平面。连接部340的下表面以及测量部330的下表面所在平面高于支撑部320的下表面所在平面。支撑部320在其与连接部340相连接的面 (与锐角α相对的面)上设置有溢水排沙孔323，该溢水排沙孔323位于连接部340的下方。溢水排沙孔323从下到上等距设置有多个。

支撑部320、连接部340和测量部330均为不锈钢板形成的空心结构。支撑部320与测量部330相连通。

水位采集单元400用于测量水位高度h。水位采集单元400为非接触式雷达水位计。水位采集单元400设置于明渠的水面上方。

数据处理单元500分别与流速采集单元100、淤泥厚度采集单元 200和水位采集单元400相连。数据处理单元500收集并处理流速采集单元100、淤泥厚度采集单元200和水位采集单元400相应所采集的数据，并得到断面流量Q。断面流量即为过截面流量。

流速采集单元100、淤泥厚度采集单元200、水位采集单元 400、数据处理单元500分别与太阳能供电单元600相连，太阳能供电单元600用于对与其相连的单元供电。数据处理单元500、太阳能供电单元600设置于明渠的渠岸上。

实施例2

如图5所示，利用实施例1的明渠断面流量自动采集系统进行自动采集断面流量的方法，包括以下步骤：

系统自检，确定系统能够正常工作；

水位采集单元400采集水位高度h并传送至数据处理单元500；并判断是否为有效水位；若为有效水位则进行下一步骤，若非为有效水位则返回系统自检步骤；

5个淤泥厚度采集单元200采集明渠的同一断面内不同位置的淤泥高度d_i，并传送至数据处理单元500；

计算测速垂线间截面面积S_n并传送至数据处理单元500；

5个流速采集单元100采集明渠的同一断面内不同位置的水流流速V_i并传送至数据处理单元500；并对水流流速V_i数据进行筛选；

数据处理单元500将接收到的各数据采用如下公式进行处理，得到断面流量Q:

(1)V_n＝V_i/(c+k×(h₁/(h-d_i)))

其中，c是常数，k是流速系数，h₁是流速采集单元与水面之间的距离；V_n为测速垂线间截面平均流速；

(2)Q_n＝V_n×S_n；

S_n＝0.5×(h_i+h_i-1)×L；

h_i＝h-d_i；

h_i-1＝h-d_i-1；

其中，h_i、h_i-1为相邻测速垂线水深，L为相邻测速垂线间距；S_n为测速垂线间截面面积，Q_n为测速垂线间截面流量；

(3)Q＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅；

上述公式中，V_i为流速采集单元100测量的明渠断面内不同位置的水流流速。d_i为淤泥厚度采集单元200测量的明渠的同一断面内不同位置的淤泥高度。h为水位采集单元400测量的水位高度；即先通过收集的V_i，h，d_i，计算得到测速垂线间平均流速V_n，然后计算得到测速垂线间截面流量Q_n(即各部分流量计算)；将各部分流量相加而计算得到总的断面流量Q；并将各数据整理、存储及上传至监控中心系统；

返回系统自检步骤进行下一次断面流量的采集。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种明渠断面流量自动采集系统，其特征在于，包括：

N个流速采集单元和N个淤泥厚度采集单元，所述流速采集单元和淤泥厚度采集单元均匀分布于明渠的同一断面内；所述流速采集单元用于采集同一断面内不同位置的水流流速V_i并传送至数据处理单元，所述淤泥厚度采集单元用于采集同一断面内不同位置的淤泥高度d_i并传送至数据处理单元；

N个支撑保护单元，所述支撑保护单元设置为能够固定于明渠的渠底；所述支撑保护单元包括支撑部，所述支撑部包括具有坡度的支撑部上表面；任意一个所述支撑保护单元上相应设置有一个流速采集单元和一个淤泥厚度采集单元，所述支撑保护单元用于支撑以及保护所述流速采集单元和淤泥厚度采集单元；

其中，N为大于或等于1的奇数；i为小于等于N的自然数；

水位采集单元，其用于采集水位高度h并传送至数据处理单元；

数据处理单元，其分别与所述流速采集单元、淤泥厚度采集单元和水位采集单元相连；所述数据处理单元用于收集并处理流速采集单元、淤泥厚度采集单元和水位采集单元相应所采集的数据，并得到断面流量Q。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述支撑保护单元还包括底座，所述底座设置为能够固定于所述明渠的渠底；所述支撑部固定在所述底座上；

所述支撑部为三棱柱结构，其侧面呈直角三角形；该直角三角形的一个锐角α≤30°。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：

所述支撑保护单元还包括连接部和测量部；

所述连接部用于将所述测量部和所述支撑部连接；

所述连接部为四棱柱结构，其侧面呈平行四边形；该平行四边形的短边B小于所述支撑部的锐角α相对的直角边A；

所述测量部为长方体结构，其侧面呈长方形；该长方形的短边C的长度小于或等于所述平行四边形的短边B。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：

所述支撑部的侧面、所述连接部的侧面和所述测量部的侧面共平面；

所述连接部包括具有坡度的连接部上表面；所述支撑部上表面和所述连接部上表面共平面；

所述连接部的下表面以及所述测量部的下表面所在平面高于所述支撑部的下表面所在平面。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述淤泥厚度采集单元的采集端位于所述测量部的下表面上，且设置为与明渠的水流接触；所述流速采集单元的采集端位于所述测量部的侧面上，且设置为与水流接触。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述支撑部的两侧设置有吊装孔；所述支撑部在其与所述连接部相连接的面上设置有溢水排沙孔，该溢水排沙孔位于所述连接部的下方。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述测量部的一个侧面上设置有用于供所述流速采集单元的采集端安装的安装孔；所述测量部的另一个侧面上设置有检修孔；所述支撑部、连接部和测量部为不锈钢板形成的空心结构，且所述测量部与所述支撑部相连通。

8.根据权利要求1～7任一项所述的系统，其特征在于，还包括太阳能供电单元，所述流速采集单元、淤泥厚度采集单元、水位采集单元、数据处理单元分别与所述太阳能供电单元相连，所述太阳能供电单元用于对与其相连的单元供电；

所述数据处理单元和太阳能供电单元设置于明渠的渠岸上；所述水位采集单元设置于明渠的水面上方。

9.采用权利要求8所述的明渠断面流量自动采集系统进行自动采集断面流量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)水位采集单元采集水位高度h并传送至数据处理单元；

(2)N个淤泥厚度采集单元采集明渠的同一断面内不同位置的淤泥高度d_i，并传送至数据处理单元；

(3)采集测速垂线间截面面积S_n并传送至数据处理单元；

(4)N个流速采集单元采集明渠的同一断面内不同位置的水流流速V_i并传送至数据处理单元；

(5)数据处理单元将接收到的各数据进行处理，得到断面流量Q；并将各数据整理、存储及上传至监控中心系统。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，数据处理单元采用以下公式处理得到断面流量Q:

(1)V_n＝V_i/(c+k×(h₁/(h-d_i)))；

其中，c是常数，k是流速系数，h₁是流速采集单元与明渠的水面之间的距离；V_n为测速垂线间截面平均流速；

(2)Q_n＝V_n×S_n；

S_n＝0.5×(h_i+h_i-1)×L；

h_i＝h-d_i；

h_i-1＝h-d_i-1；

其中，h_i、h_i-1分别为相邻测速垂线水深，L为相邻测速垂线间距；S_n为测速垂线间截面面积，Q_n为测速垂线间截面流量；

(3)Q＝Q₁+Q₂+……+Q_N；

其中，N为支撑保护单元的个数。

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