CN113049052B - 一种大含沙量河流的流量测量方法 - Google Patents

一种大含沙量河流的流量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大含沙量河流的流量测量方法，包括以下步骤：要求设备外接不受磁环境影响的罗经和GNSS定位设备，并对外接设备按要求进行安装及标定；安装ADCP的测船沿断面走航往返收集一个来回的ADCP数据；通过对ADCP数据底跟踪轨迹与GNSS定位轨迹比较，采用底跟踪轨迹遇到“动底”向水流上游运动的原理，试算出外接罗经安装偏差度；将外接罗经的安装偏差角在ADCP软件中设置后，在GNSS测量船速的模式下，软件回放ADCP施测数据就能输出正确的流速、流向和流量值。通过往返断面动态方式进行校正，实现断面存在“动底”的校正方法，能为ADCP实现不同复杂环境下流量施测，显著提高了ADCP流量测量的效率、精度和实效性。

Description

一种大含沙量河流的流量测量方法
技术领域
本发明涉及一种大含沙量河流的流量测量方法，属于水文测量技术领域。
背景技术
ADCP又称声学多普勒流速剖面仪，是一种用于测量水速的水声学流速计。我国河道在汛期或大流速期间往往存在含沙量过大的问题，ADCP发出的一定频率的脉冲波在泥沙的干扰下，导致使用ADCP时测定的“底”是随河底床面上有泥沙或一定浓度含沙量是运动的（一般称为“动底”），也就是说，ADCP测定的“底”并不是真正的河底。由于受来自河底床面泥沙运动速度的影响，在运动“底跟踪”方式测到的船速相对于河底的速度严重失真，使流量测验不准确。在流量较大时其现象尤其突出，通常施测的流量偏小。
为了解决“动底”的影响，现有技术中已经存在回路法、定点多垂线法和差分GNSS等多种解决方案，通常对于较大流速的流量测验，前两种解决方案均不适宜，以差分GNSS解决方案比较好。但是，差分GNSS测量船速的方案，只涉及解决底跟踪速度，即通过外接GNSS（全球卫星定位系统）测定测船在航迹上运动的任意两点的船速，没有涉及断面存在“动底”情况下的流量动态校正方法。
ADCP底跟踪模式测流时，其流量结果与磁偏角和安装偏差无关，但若受河底“动底”影响，施测的流量就偏小，这是ADCP测流原理所决定的。即，当无“动底”时，ADCP由于受外界磁物干扰存在磁偏角，测量的河流流向是错误的，但流速是正确的；但如有“动底”时，则流速、流向的测量结果都是错误的，导致施测的流量偏小。
当有“动底”时底跟踪方式施测流量偏小时，采用外接GNSS方式施测的流速与磁偏角有直接关系，若ADCP内置罗经确定大地坐标与GNSS大地坐标之间偏角差异较大，则施测流量误差较大、精度较低。这样对于配置外接罗经就显得更加重要。
所以，在采用GNSS解决存在“动底”的船速问题后，计算流速、流量时罗经的校正尤为重要，而我国河流大流速、大含沙量均存在“动底”情况，一直无法实现现场测量流速、流量的动态解决方案，难以满足实际生产要求，亟待进一步研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种可以准确测量含沙量大的河流流量测量方法，可以解决现有技术中受“动底”影响情况下ADCP测得的流量偏小的技术难题。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种大含沙量河流的流量测量方法，包括如下步骤：
步骤一、在带有ADCP的测船船体上方安装GNSS卫星罗经，GNSS卫星罗经位于ADCP探头的上方开阔处，所述GNSS卫星罗经与ADCP具有刚性连接；
步骤二、对ADCP与GNSS卫星罗经进行标定，获得GNSS卫星罗经的定位天线中心与ADCP探头中心的相对位置；
步骤三、所述测船沿河流的断面走航一个往返，在走航时，所述GNSS卫星罗经测得船速和姿态，同时所述GNSS卫星罗经和ADCP还进行施测获取校正数据，所述校正数据包括ADCP采集的底跟踪轨迹线和GNSS卫星罗经采集的GNSS定位轨迹线，其中底跟踪轨迹线包括往测时ADCP采集的第一底跟踪轨迹线以及返测时ADCP采集的第二底跟踪轨迹线，所述GNSS定位轨迹线包括往测时GNSS卫星罗经采集的第一GNSS定位轨迹线以及返测时GNSS卫星罗经采集的第二GNSS定位轨迹线；
步骤四、通过ADCP对所述底跟踪轨迹线和GNSS定位轨迹线进行比较分析，得到外接GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的安装偏差角度值；具体方法包括以下步骤：
1）检查所述校正数据，选取底跟踪轨迹线在GNSS定位轨迹线下游的校正数据，为方便描述，假设第一底跟踪轨迹线在第一GNSS定位轨迹线的下游；
2）在ADCP中设置GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的安装偏差角度值，使得第一底跟踪轨迹线不在第一GNSS定位轨迹线的下游；
3）在ADCP中设置与步骤2）中相同的安装偏差角度值，判断第二底跟踪轨迹线是否不在第二GNSS定位轨迹线的下游，如满足要求，则该安装偏差角度值即为所需的正确安装偏差角度值；如不满足要求，则在ADCP中重新设置不同的安装偏差角度值后，返回执行步骤2），直至满足两组数据的底跟踪运行轨迹线均不在GNSS轨迹线下游的要求；
步骤五、将所述GNSS卫星罗经测得的船速和姿态传入ADCP中，将所述GNSS卫星罗经测得的船速替代ADCP底跟踪的速度，将所述GNSS卫星罗经测得的姿态替代ADCP内置罗经测得的姿态，并在ADCP中设置步骤四中得到的GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的正确安装偏差角度值，通过在GNSS模式下回放ADCP数据就能输出河流正确的流速、流向和流量值。
本发明利用外接GNSS卫星罗经测得的船速和姿态，分别代替ADCP底跟踪的速度和内置罗经测得的姿态，并通过沿河流的断面走航一个往返，对GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的安装偏差角进行校正得到正确安装偏差角度值，将正确安装偏差角度值输入ADCP的内置软件中，通过回放ADCP数据就能输出河流正确的流速、流向和流量值。
与现有流量测量方法和技术相比，本发明的显著优势在于：
1）对作业人员的专业技能要求低，可实现现场校正与施测同步进行测量；
2）综合考虑了各种误差来源及计算的方法，实现了复杂环境下的ADCP流量测量，精度可靠；
3）减少了人力资源投入，而且采用校正和测量同步进行方式，适合各种有人船和无人船，显著降低了劳动强度，解除了不同复杂环境的流量测量，减少了大流速情况下作业人员的安全风险；
4）实现了采用校正和测量同步进行方式，基本不占用额外的作业时间，有效缩短了流量测量的周期；
5）低硬件成本投入：GNSS卫星罗经作为定位和定向的设备，一方面保障了流量测量的精度，又是一种低成本的航行安全保障设备。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是获得GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的正确安装偏差角度值的原理示意图，其中：竖直线为GNSS定位轨迹线，折线为底跟踪轨迹线。
图2是对比实验的测量结果的软件截图，其中上半部分为传统方法的测量结果，下半部分为本发明方法的测量结果。
具体实施方式
实施例
本实施例涉及一种大含沙量河流的流量测量方法，包括如下步骤：
步骤一、在带有ADCP的测船船体上方安装GNSS卫星罗经，GNSS卫星罗经位于ADCP探头的上方开阔处，所述GNSS卫星罗经与ADCP具有刚性连接。
在具体实施时，采用支架或其它固定设备，将ADCP与GNSS卫星罗经分别安装在测船船体（可采用各类型有人船或无人船）的顶部，保持相对位置和相对姿态固定，同时，安装位置要避免信号严重遮挡或屏蔽，避免多路径效益。ADCP与GNSS卫星罗经通过各自的电缆线接入船舱内电源；将ADCP与GNSS卫星罗经的数据线通过RS232-C接口接入PC计算机。
步骤二、对ADCP与GNSS卫星罗经进行标定，获得GNSS卫星罗经的定位天线中心与ADCP探头中心的相对位置。
需要标定的参数包括GNSS卫星罗经的定位天线中心与ADCP探头中心的相对坐标△x、△y。为便于量测，建立一条参考船轴线，选定船体中轴线上某点为原点，Y坐标为船轴方向，航向为正，X轴与Y轴垂直，从而建立一个参考坐标系统。在这个坐标系下，通过钢尺精密丈量或免棱镜全站仪测量，得到天线中心与ADCP探头中心的相对坐标△x、△y。再通过计算GNSS进行归心计算，利用GNSS速度替代ADCP底跟踪的速度。
对ADCP与GNSS卫星罗经进行标定才能保证各项测量结果的准确性，此为现有技术，可参考相关文献，不再赘述。
步骤三、所述测船沿河流的断面走航一个往返，在走航时，所述GNSS卫星罗经测得船速和姿态，同时所述GNSS卫星罗经和ADCP还进行施测获取校正数据，所述校正数据包括ADCP采集的底跟踪轨迹线和GNSS卫星罗经采集的GNSS定位轨迹线（如图1（a）即为测船往返走航时采集的底跟踪轨迹线和GNSS卫星罗经采集的GNSS定位轨迹线），其中底跟踪轨迹线包括往测时ADCP采集的第一底跟踪轨迹线以及返测时ADCP采集的第二底跟踪轨迹线，所述GNSS定位轨迹线包括往测时GNSS卫星罗经采集的第一GNSS定位轨迹线以及返测时GNSS卫星罗经采集的第二GNSS定位轨迹线。
所述测船往返施测时优选以下三点：
1）所述测船往返施测时保持在同一个河流断面上；
2）所述测船往返施测时走航速度匀速，且船头的方位保持一致；
3）所述测船往返施测时，走航速度小于或等于河流的流速。
在施测时，先检查ADCP、GNSS卫星罗经等设备连接无误后通电，然后开启GNSS卫星罗经，设置数据采集频率和输出数据项目（设置输出GPS 0183协议GGA、VTG及HDT 三种格式，包含大地坐标、高程、时间、定位状态、速度及方位等）；将ADCP、GNSS及罗经数据分别接入PC机3个RS232-C，并配置连通。ADCP根据断面水深、流速等特性设置参数，并运行数据采集程序，ADCP往返获取的数据分别保存。
通常来说，测船的走航最好满足以下要求：
(1)是沿着一个预置的河流横断面进行（断面长度最好在50m以上）；
(2)测船往返走航时不要偏离断面；
(3)宜匀速走航，走航速度不宜大于流速，单趟施测时间大于180 秒；
(4)走航时船首方向保持一致。
步骤四、通过ADCP对所述底跟踪轨迹线和GNSS定位轨迹线进行比较分析，得到外接GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的安装偏差角度值；具体方法包括以下步骤：
1）检查所述校正数据，选取底跟踪轨迹线在GNSS定位轨迹线下游的校正数据；为方便描述，假设第一底跟踪轨迹线在第一GNSS定位轨迹线的下游，如图1（a）中返测方向所示。
2）在ADCP中设置GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的安装偏差角度值，使得第一底跟踪轨迹线不在第一GNSS定位轨迹线的下游，其结果如图1（b）中返测方向所示。
3）在ADCP中设置与步骤2）中相同的安装偏差角度值，判断第二底跟踪轨迹线是否不在第二GNSS定位轨迹线的下游，如满足要求，则安装偏差角度值即为正确的安装偏差角度值，如图1（c）所示。如图1（b）中往测方向所示，不满足要求，则在ADCP中重新设置不同的安装偏差角度值后，返回执行步骤2），直至满足两组数据的底跟踪运行轨迹线均不在GNSS轨迹线下游的要求。寻找正确的安装偏差角度值的过程为一个不断遍历和试错的过程，本领域技术人员总能够在一个合适区间范围内，多次重复执行步骤2），从而找到正确的安装偏差角度值。
在具体实施时，可在数据回放软件中分别检查往底跟踪轨迹线和GNSS定位轨迹线，根据底跟踪轨迹线遇“动底”时在GNSS轨迹线上游的原理，对底跟踪在GNSS下游的断面数据设置外接罗经安装偏差值，直至施测往返两组数据的底跟踪轨迹线不在GNSS轨迹的下游。
步骤五、将所述GNSS卫星罗经测得的船速和姿态传入ADCP中，将所述GNSS卫星罗经测得的船速替代ADCP底跟踪的速度，将所述GNSS卫星罗经测得的姿态替代ADCP内置罗经测得的姿态，并在ADCP中设置步骤四中得到的GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的正确安装偏差角度值，通过在GNSS模式（即将船速模式设置成GNSS GGA或者VTG）下回放ADCP数据就能输出河流正确的流速、流向和流量值，得到断面不同位置不同水层的流速、流向，断面不同位置垂线平均流速、流向，以及断面宽、断面面积、断面流量等特性数值。
本实施例还可以作以下改进：本实施例不再使用所述GNSS卫星罗经，而是使用相互独立的GNSS定位装置以及不受磁环境影响的罗经替代GNSS卫星罗经；这样在步骤二中就需要对GNSS定位装置与ADCP进行标定，从而获得GNSS定位装置的定位天线中心与ADCP探头中心的相对位置；在步骤四中，最终得到的正确安装偏差角度值是外部罗经与ADCP内置罗经的安装偏差角度值。
需要说明的是，本发明是对中华人民共和国水利行业标准SL337-2006《声学多普勒流量测量规范》中流量测量方法的改进，因此，本发明在实施时，仍然需要遵守该规范的一些操作规定，比如：在流量相对稳定的状态下，应进行两个测回断面的流量测量（即测两个往返），即使在流量变化较大时，也应该至少完成一个测回的流量测验。
申请人在长江中下游进行了多次对比实验，证明本发明方法的测量结果准确可靠。比如2020年7月4日在九江水文站进行的对比实验，此时九江水文站内的长江段内含有大量泥沙，实验结果如下：通过流速仪测得的长江实际流量为53900m3/s，但如图2上半部分所示，依据《声学多普勒流量测量规范》通过传统方法测得的流量为43158m3/s，而如图2下半部分所示通过本发明方法测得的流量为53890m3/s，与流速流量仪测得的流量基本相符，满足规范单次流量测验精度要求。
本发明的主要思想就是通过外接GNSS卫星罗经测得的船速和姿态，分别代替ADCP底跟踪的速度和内置罗经测得的姿态，其核心是如何得到GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经之间的正确安装偏差角度值。本发明的原理不难理解，但对如何获得GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的正确安装偏差角度值，发明人进行了长期的探索和研究。最开始发明人在施测获取校正数据时，只让测船沿河流断面跑一趟（即只做一次往测），带来的问题就是很难找到GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的正确安装偏差角度值，如图1（b）返测方向所示，比如仅在返测方向测量一次后进行校正，其得到的安装偏差角度虽然能够在返测方向上满足底跟踪轨迹线遇“动底”时在GNSS轨迹线上游的原则，但可能在往测方向不能满足上述要求（参见图1（b）上方），导致实测结果虽然有了改进，但仍然不能保证其准确性。发明人经过长期的摸索，对上述方法进行了改进，从而得出了本发明的方法，即通过沿河流的断面走航一个往返，即往测方向和返测方向同时进行校正，从而能够很方便地得到正确安装偏差角度值，这也是申请人对现有技术作出的主要贡献之一。
本实施例可将民用消费级、低功率、高精度定位GNSS卫星罗经（或外接的罗经和GNSS定位装置）引入水文测量领域，并与ADCP集成为流速及流量数据采集的传感器；本发明方法适合各种尺寸大小的有人船和无人船，可采集断面上不同位置、水层的流速、流向及流量等不同水文要素。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大含沙量河流的流量测量方法，包括如下步骤：
步骤一、在带有ADCP的测船船体上方安装GNSS卫星罗经，GNSS卫星罗经位于ADCP探头的上方开阔处，所述GNSS卫星罗经与ADCP具有刚性连接；
步骤二、对ADCP与GNSS卫星罗经进行标定，获得GNSS卫星罗经的定位天线中心与ADCP探头中心的相对位置；
步骤三、所述测船沿河流的断面走航一个往返，在走航时，所述GNSS卫星罗经测得船速和姿态，同时所述GNSS卫星罗经和ADCP还进行施测获取校正数据，所述校正数据包括ADCP采集的底跟踪轨迹线和GNSS卫星罗经采集的GNSS定位轨迹线，其中底跟踪轨迹线包括往测时ADCP采集的第一底跟踪轨迹线以及返测时ADCP采集的第二底跟踪轨迹线，所述GNSS定位轨迹线包括往测时GNSS卫星罗经采集的第一GNSS定位轨迹线以及返测时GNSS卫星罗经采集的第二GNSS定位轨迹线；
步骤四、通过ADCP对所述底跟踪轨迹线和GNSS定位轨迹线进行比较分析，得到外接GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的安装偏差角度值；具体方法包括以下步骤：
1）检查所述校正数据，选取底跟踪轨迹线在GNSS定位轨迹线下游的校正数据，为方便描述，假设第一底跟踪轨迹线在第一GNSS定位轨迹线的下游；
2）在ADCP中设置GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的安装偏差角度值，使得第一底跟踪轨迹线不在第一GNSS定位轨迹线的下游；
3）在ADCP中设置与步骤2）中相同的安装偏差角度值，判断第二底跟踪轨迹线是否不在第二GNSS定位轨迹线的下游，如满足要求，则该安装偏差角度值即为所需的正确安装偏差角度值；如不满足要求，则在ADCP中重新设置不同的安装偏差角度值后，返回执行步骤2），直至满足两组数据的底跟踪运行轨迹线均不在GNSS轨迹线下游的要求；
步骤五、将所述GNSS卫星罗经测得的船速和姿态传入ADCP中，将所述GNSS卫星罗经测得的船速替代ADCP底跟踪的速度，将所述GNSS卫星罗经测得的姿态替代ADCP内置罗经测得的姿态，并在ADCP中设置步骤四中得到的GNSS卫星罗经与ADCP内置罗经的正确安装偏差角度值，通过在GNSS模式下回放ADCP数据就能输出河流正确的流速、流向和流量值。
2. 根据权利要求1所述的大含沙量河流的流量测量方法，其特征在于： 所述测船往返施测时保持在同一个河流断面上。
3.根据权利要求1所述的大含沙量河流的流量测量方法，其特征在于：所述测船往返施测时走航速度匀速，且船头的方位保持一致。
4.根据权利要求1-3之任一项所述的大含沙量河流的流量测量方法，其特征在于：所述测船往返施测时，走航速度小于或等于河流的流速。
5.根据权利要求1-3之任一项所述的大含沙量河流的流量测量方法，其特征在于：所述GNSS卫星罗经替代为相互独立的GNSS定位装置以及不受磁环境影响的外部罗经，这样在步骤二中就需要对GNSS定位装置与ADCP进行标定，从而获得GNSS定位装置的定位天线中心与ADCP探头中心的相对位置；在步骤四中，最终得到的正确安装偏差角度值是外部罗经与ADCP内置罗经的安装偏差角度值。
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