CN113219202A - 一种河流水文测量方法及装置 - Google Patents

一种河流水文测量方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113219202A
CN113219202A CN202110413234.9A CN202110413234A CN113219202A CN 113219202 A CN113219202 A CN 113219202A CN 202110413234 A CN202110413234 A CN 202110413234A CN 113219202 A CN113219202 A CN 113219202A
Authority
CN
China
Prior art keywords
river
measuring
height variation
cross
fitting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110413234.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113219202B (zh
Inventor
张敏
葛金金
彭文启
余杨
计炳生
渠晓东
黄伟
张汶海
张海萍
解莹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Original Assignee
China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Institute of Water Resources and Hydropower Research filed Critical China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority to CN202110413234.9A priority Critical patent/CN113219202B/zh
Publication of CN113219202A publication Critical patent/CN113219202A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113219202B publication Critical patent/CN113219202B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • G01C13/002—Measuring the movement of open water
    • G01C13/006—Measuring the movement of open water horizontal movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • G01C13/008—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal measuring depth of open water
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/292—Light, e.g. infrared or ultraviolet
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18—Water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

本发明公开了一种河流水文测量方法及装置，其中,该河流水文测量方法包括如下步骤：S1，在待测量的河流上选取测量处；S2，获取测量处的横截面的形状；S3，在测量处选取若干测量点，并记录测量点在该横截面上的位置；S4，分别对不同测量点进行测量；S5，对测量结果进行拟合，以得到测量值在该横截面范围内的水文拟合函数；S6，在所述横截面的区域内对所述水文拟合函数进行积分，以得到对应的水文数据。本发明能够解决现有技术中的问题，提高河道流量及含沙量的测量精度。

Description

一种河流水文测量方法及装置
技术领域
本发明涉及河流水文测量技术领域，特别是一种河流水文测量方法及装置。
背景技术
水的流速及含沙量的多少，是河流水文中的重要数据。现有技术中，主要通过单点测量或多点求取平均值的方式来表征河水的流速，进而通过截面积与流速的乘积作为流量。
经研究发现，在实际中，由于受到河底泥土的阻力，在同一横截面上，不同位置的水流速度是不同的，通常情况下，河面中心处的流速要大于靠近岸边的河水流速；而河面的流速要大于底部的流速；另一方面，由于河水流速的不同，使得河面中心处的压强较小，使得河面中心处的高度要高于两侧。再者，由于河水中混有泥沙，在河水流动的过程中，不断地有泥沙积累沉到河底，会导致河底的形状发生改变，进一步对流量产生影响。由于现有的测量方式中，均未考虑到上述因素，而导致测量结果不准确。
因此，如何精确地获得河流水文的数据，尤其是流量及含沙量的数据，是本领域技术人员亟待解决的重要问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种河流水文测量方法及装置，以解决现有技术中的不足，它能够解决现有技术中的问题，提高河道流量及含沙量的测量精度。
本发明提供了一种河流水文测量方法，其中,包括如下步骤：
S1，在待测量的河流上选取测量处；
S2，获取测量处的横截面的形状；
S3，在测量处选取若干测量点，并记录测量点在该横截面上的位置；
S4，分别对不同测量点进行测量；
S5，对测量结果进行拟合，以得到测量值在该横截面范围内的水文拟合函数；
S6，在所述横截面的区域内对所述水文拟合函数进行积分，以得到对应的水文数据。
如上所述的河流水文测量方法，其中，可选的是,步骤S2中，包括如下步骤：
S21，以河道宽度方向为横坐标，以高度方向为纵坐标，建立坐标系；
S22，获取测量处的河底轮廓线；
S23，获取测量处的水面轮廓线；
S24，将河底轮廓线和水面轮廓线转换到该坐标系上，形成一个封闭的区域，将该封闭的区域作为测量处的横截面。
如上所述的河流水文测量方法，其中，可选的是,步骤S22为，S221，在测量处，沿河面宽度方向选取多个河底测点，测量河底测点处的河底到设定水平面的距离；
S222，将河底测点在横截面上的位置与该河底测点到该设定水平面的距离，转换到所述坐标系上；
S223，对各河底测点的测量结果进行多项式拟合，得到河底高度关于河面宽度的河底高度拟合函数；其中，所述多项式拟合中的最高次幂为4到8。
如上所述的河流水文测量方法，其中，可选的是,步骤S23包括如下具体步骤，
S231，在测量处，沿河面宽度方向选取多个河面测点，测量河面测点处的水面到一设定水平面的距离；
S232，将河面测点在横截面上的位置与该河面测点处的水面到该设定水平面的距离，转换到该坐标系上；
S233，对各河面测点的测量结果进行二次多项式拟合，得到水面高度关于河面宽度的水面高度拟合函数；
S234，将该水面高度拟合函数在河面宽度范围内的曲线作为水面轮廓线。
如上所述的河流水文测量方法，其中，可选的是,步骤S3中，在选取测量点时，每两平方米内至少有一个测量点；且所述测量点的分布，沿从河面中心处向河底轮廓的方向，测量点的分布密度逐渐增大。
如上所述的河流水文测量方法，其中，可选的是,步骤S4中，对测量点进行测量的内容包括：该测量点的流速和/或单位时间流过的沙量；
其中，利用各测量点的流速及坐标值拟合出在该横截面上的流速拟合函数，通过对流速拟合函数在该横截面上进行双重积分，得到流量；
利用各测量点单位时间流过的沙量及坐标值拟合出在该横截面上的沙量拟合函数，通过对沙量拟合函数在该横截面上进行双重积分，得到单位时间内流过该横截面的沙量；
根据单位时间内流过该横截面的沙量和该流量，计算该测量处的含沙量。
如上所述的河流水文测量方法，其中，可选的是,还包括如下步骤：
S7，每间隔设定时间后，重复步骤S1到步骤S5，其中，设定时间为30到90天；
S8，按照时间顺序，将相邻两次测量时的河底轮廓作差，以得出河底轮廓的高度变化量；
S9，根据河底轮廓的高度变化量与对应的时间数据，拟合出河底轮廓的高度变化量随时间的变化关系；
其中，在步骤S6中，将水文数据记为SJsw；其计算公式如下：
Figure BDA0003024770290000031
其中，D为横截面区域，也就是积分区域，dσ表示该横截面区域的面积元素，[x1,x2]为该河面宽度在坐标系上对应的横坐标范围，fsw(x,y)为单位时间内的水纹数据对x和y两个自变量的拟合函数，fhm(x)为水面高度拟合函数，fhd(x)为河底高度拟合函数。
如上所述的河流水文测量方法，其中，可选的是,所述步骤S8中，所述河底轮廓的高度变化量包括，第一高度变化量、第二高度变化量、第三高度变化量和平均高度变化量；
其中，河道被水流覆盖的部分沿宽度方向三等分，中间部分对应的河底轮廓的高度变化量为第二高度变化量，两侧的部分分别为第一高度变化量和第三高度变化量；
将相邻两次测得的河底轮廓作差后得到函数对河底宽度进行积分，根据积分区域的不同，分别得到第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量；
对第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量求取平均值，得到平均高度变化量。
如上所述的河流水文测量方法，其中，可选的是,步骤S9为，分别对所述第一高度变化量、所述第二高度变化、所述第三高度变化量和平均高度变化量进行时间维度上的拟合，以分别得到第一高度变化量、第二高度变化量、第三高度变化量的变化趋势。
本发明还提出了一种河流水文测量装置，包括横设于河道上的索道，吊设于索道上的水流测速仪、含沙量检测仪和水位计；其中，
还包括固定设置于河岸的固定桩，所述固定桩上设置有水平激光仪，所述水平激光仪用于形成参照面；
所述水流测速仪和含沙量检测仪均通过吊索与所述索道连接；
所述水位计用于读取水面距离所述参照面之间的距离；
所述吊索上还设有铅鱼；
还包括控制器，所述控制器获取测试点的位置数据和检测数据；并将所述位置数据和检测数据通过网络输出给远程上位机，以通过所述远程上位机按上述任一项中步骤S5和步骤S6的方法进行处理。
与现有技术相比，本发明至少存在如下有益效果：
1，考虑到同一横截面上，不同位置的水的流速不同，不同位置的含沙量不同，本发明通过建立坐标系，对于同一横截面上的多个点进行拟合，得到流速在不同截面处的位置关系，从而得到对应的水文拟合函数；在横截面区域内对水文拟合函数进行双重积分，即可得到对应的水文数据；从而将保证流量的准确性；
2，考虑到河底轮廓线受泥沙沉积的影响，以及水面轮廓受流速影响，导致水的横截面发生变化，本发明在测量时，通过获取河底轮廓线和水面轮廓线，以保证在测量时，所得到的横截面与测量时的实际横截面相同，从而消除由于泥沙沉积及水面轮廓受流速的影响；
3，由于河底轮廓处常伴有淤泥，若通过设备逐一描绘出完整的曲线，会对河底的淤泥的原有形态造成破坏，进而影响到河水的流速及含沙时的检测。本发明通过多点检测，利用多项式拟合的方式得到河底的轮廓线；从而能够避免对于后续测量的影响；
4，根据流速特点及泥沙分布特点，本发明通过设定测量点的分布密度，使得测量点在影响较大的靠近河底的区域，使测量点较多，而在水流及含沙量影响较小的中上层水域，使测量点略少，能够保证拟合时的准确性。
5，通过按时间维度对历史测量数据的拟合，提到河底轮廓高度变化量随时间的变化关系，以便于观测河岸及对应区域内的水土流失问题。同时，根据河底轮廓高度变化量随时间的变化关系，还可以对未来一段时间内的水土流失问题进行预测。
6，通过将河底轮廓的高度变化量沿河面宽度分成第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量，能够获取不同宽度位置处的河底轮廓变化量。
7，通过第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量在时间维度上的拟合，能够得到第一高度变化量、第二高度变化量、第三高度变化量的变化趋势与时间关系，便于观测泥沙沉积的情况。
附图说明
图1是本发明实施例1的步骤流程图；
图2是实施例1中步骤S2的具体步骤流程图；
图3是实施例1中步骤S22的具体步骤流程图；
图4是实施例1中步骤S23的具体步骤流程图；
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在实际中，由于受到河底泥土的阻力，在同一横截面上，不同位置的水流速度是不同的，通常情况下，河面中心处的流速要大于靠近岸边的河水流速；而河面的流速要大于底部的流速；另一方面，由于河水流速的不同，使得河面中心处的压强较小，使得河面中心处的高度要高于两侧。再者，由于河水中混有泥沙，在河水流动的过程中，不断地有泥沙积累沉到河底，会导致河底的形状发生改变，进一步对流量产生影响。由于现有的测量方式中，均未考虑到上述因素，而导致测量结果不准确。现有技术中，通常是以单个测量点的流速来估算流量，或者多个测量点的流速平均值来估算流量。而对于含沙量的计算，也是用单点测量结果表示或者多点测量结果的平均值来进行计算。为此，本发明提出以下实施例来解决。
实施例1，
请参照图1到图4，本实施例提出了一种河流水文测量方法，其中,本方法用于对河面宽度介于3-50米的河流进行测量。
具体地，本实施例包括如下步骤：
请参照图1，S1，在待测量的河流上选取测量处。在对测量处进行选择时，以河岸平整、水流相对较缓处为佳。同时，在测量时，也尽可能选择风速较小的天气。
S2，获取测量处的横截面的形状；具体地，此处所指的横截面的形状是指河水在测量处的横截面的形状。即，从水平面到河底的水流的横截面形状。由于水流流速的不等而导致的水面并非一个平面，而是从中间高两岸低的形状。为了精确得到该横截面的形状，本步骤中还包括如下具体步骤：
请参照图2，S21，以河道宽度方向为横坐标，以高度方向为纵坐标，建立坐标系；在建立坐标系时，并不对原点进行特定的限制，只要满足前述条件即可，同时，当一组数据被用于拟合时，该组数据应当以同样的关系投射到该同一从标系上。为了方便计算，以及理解，以该横截面位于该坐标系的第一象限为佳。
S22，获取测量处的河底轮廓线；具体地，河底轮廓线是由测量得知，在具体实施时，可以利用中索道、柔性尺与铅鱼配合进行测量，也可以是利用防水的遥控机器人沿河底行走一遍后描绘出来。在本步骤中，可以通过多点测量后进行拟合的方法进行处理，以减小由于遥控机器人在水下移动而对河底轮廓造成的破坏。具体地，步骤S22还包括，
请参照图3，S221，在测量处，沿河面宽度方向选取多个河底测点，测量河底测点处的河底到设定水平面的距离；具体，测量河底测点到设定水平面的距离，可以利用铅鱼、柔性尺、索道进行测量，将索道横跨河面，将柔性尺的一端与铅鱼连接，另一端通过滑轮与索道连接。通过在河岸的一水平面上放置水平激光仪，来模拟设定水平面，通过在柔性尺上读取激光照射处的刻度来得到河底的位置。
S222，将河底测点在横截面上的位置与该河底测点到该设定水平面的距离，转换到所述坐标系上；具体地，可以以该水平面为参照进行转换，在转换时，要注意河底测点与河面测点在测量时关于同一设定平面读取参数。
S223，对各河底测点的测量结果进行多项式拟合，得到河底高度关于河面宽度的河底高度拟合函数；其中，所述多项式拟合中的最高次幂为4到8，其中，优选6次函数。若最高次幂过低，容易导致拟合精度过低，若最高次幂过高，又容易导致拟合结果失真。
具体地，河底高度的拟合函数为：
fhd(x)＝a1x6+b1x5+c1x4+d1x3+e1x2+f1x+g1
其中，a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1均为拟合得到的系数，对于不同河流及不同的测量处，该同一系数为不同大小的常数，x表示河面宽度；fhd(x)为河底高度随河面宽度的变化值。
将河底高度拟合函数在河面宽度范围内的曲线作为河底轮廓线。
S23，获取测量处的水面轮廓线；对于水面轮廓线的获取，可以利用索道、一直尺、铅鱼以及水平激光仪来实现；测量时，先选取岸边的水平位置放置水平激光仪，然后利用水平激光仪投射出水平激光面；将直尺的一端通过绳索及滑轮与索道连接，将直尺的下端连接一铅鱼，通过读取水面到该激光面之间的距离从而确定水面的高度，来得到水面的高度值。具体实施地，在岸边选取
具体地，请参照图4，步骤S23包括如下具体步骤，
S231，在测量处，沿河面宽度方向选取多个河面测点，测量河面测点处的水面到一设定水平面的距离；测量时，可选取前述测量方法进行测量，在此不再赘述。
S232，将河面测点在横截面上的位置与该河面测点处的水面到该设定水平面的距离，转换到该坐标系上；具体实施时，此处所使用的设定水平面，应当与河底测点测量时的设定水平面一致，若与河底测点测量时的设定水平面不一致，应当根据两设定水平面之间的高度差进行转换。
S233，对各河面测点的测量结果进行二次多项式拟合，得到水面高度关于河面宽度的水面高度拟合函数。具体地，由于考虑到水面分布形状为中间高两侧低，近似于开口向下的抛物线形状，利用二次多项式进行拟合较为理想。当然，也可以使用最高次幂不大于4的多项式进行拟合。
该水面高度拟合函数如下：
fhm(x)＝a2x2+b2x+c2；
其中，a2、b2和c2均为常数，且，对于不同流速及河面宽度的情况下，该同一参数的值不同，x表示河面宽度。
S234，将该水面高度拟合函数在河面宽度范围内的曲线作为水面轮廓线。具体地，河面宽度范围，根据在坐标系内的位置而定，并不一定是从0开始；如，一20米宽的河，其河面范围的取值可以是[0,20],也可以是[10，30]；但，需要指出的是，水面轮廓线与对应的河底轮廓线具有相同的河面范围。
S24，将河底轮廓线和水面轮廓线转换到该坐标系上，形成一个封闭的区域，将该封闭的区域作为测量处的横截面。该封闭的区域，即为河流的横截面。设该河面在坐标系中的宽度范围为[x1,x2]，则，河流的横截面为fhm(x)与fhd(x)在[x1,x2]范围内所围成的区域。
S3，在测量处选取若干测量点，并记录测量点在该横截面上的位置；具体实施时，测量点的位置包括：宽度方向的坐标和高度方向的坐标；本步骤中，在选取测量点时，每两平方米内至少有一个测量点；且所述测量点的分布，沿从河面中心处向河底轮廓的方向，测量点的分布密度逐渐增大。
S4，分别对不同测量点进行测量；对于每个测量点，在测量之后，得到的数据应当为(x,y,zsw)，其中，x和y分别对应的测量点的横坐标和纵坐标(即高度方向的坐标)；zsw为单位时间内的水纹数据。
步骤S4中，对测量点进行测量的内容包括：该测量点的流速和/或单位时间流过的沙量；即，单位时间内的水纹数据为测量点的流速和/或单位时间流过的沙量。具体地，将该测量点作为一个单位面积计。
其中，利用各测量点的流速及坐标值拟合出在该横截面上的流速拟合函数，通过对流速拟合函数在该横截面上进行双重积分，得到流量。
利用各测量点单位时间流过的沙量及坐标值拟合出在该横截面上的沙量拟合函数，通过对沙量拟合函数在该横截面上进行双重积分，得到单位时间内流过该横截面的沙量；
根据单位时间内流过该横截面的沙量和该流量，计算该测量处的含沙量。
S5，对测量结果进行拟合，以得到测量值在该横截面范围内的水文拟合函数；在此步骤中，将zsw相对于两个自变量进行拟合。
得到拟合函数为：
zsw＝fsw(x,y)；
S6，在所述横截面的区域内对所述水文拟合函数进行积分，以得到对应的水文数据。将水文数据记为SJsw；其计算公式如下：
Figure BDA0003024770290000091
其中，D为横截面区域，也就是积分区域，dσ表示该横截面区域的面积元素，[x1,x2]为该河面宽度在坐标系上对应的横坐标范围，fsw(x,y)为单位时间内的水纹数据对x和y两个自变量的拟合函数，fhm(x)为水面高度拟合函数，fhd(x)为河底高度拟合函数。
具体实施时，考虑到河岸水土流失情况对于河水中所含泥沙量的影响，以及泥沙在河水流动过程中的沉积情况，会对河底的轮廓产生影响；为了尽量减少泥沙沉积对于水文数据准确性的影响，同时，考虑到对于泥沙沉积情况的研究。本实施例还包括步骤S7到步骤S9，具体如下，
S7，每间隔设定时间后，重复步骤S1到步骤S5，其中，设定时间为30到90天；实施时，在条件允许的情况下，设定时间为30为佳，考虑到不同季度的降水量不同，导致水文数据通常以年度为单位程现周期性变化，为了便于研究这种周期性的变化，以及变化趋势，尤其是河底轮廓的变化趋势。S8，按照时间顺序，将相邻两次测量时的河底轮廓作差，以得出河底轮廓的高度变化量；具体实施时，将第n次测量时得到的河底轮廓拟合函数记为：
fhd,n(x)＝a1,nx6+b1,nx5+c1,nx4+d1,nx3+e1,nx2+f1,nx+g1,n
其中，a1,n、b1,n、c1,n、d1,n、e1,n、f1,n和g1,n为第n次测量时拟合得到的河底轮廓关于河面宽度的拟合函数对应的系数。
S9，根据河底轮廓的高度变化量与对应的时间数据，拟合出河底轮廓的高度变化量随时间的变化关系。
河底轮廓的高度变化即为，相邻两次测量的轮廓变化关系；
即，Δfhd,n(x)＝fhd,n+1(x)-fhd,n(x)
其中，Δfhd,n(x)为第n个高度变化量，而fhd,n+1(x)为第n+1次测量的河底轮廓对应的函数；fhd,n(x)为第n次测量的河底轮廓对应的函数。
Δfhd,n(x)值为正，则说明泥沙沉积增加，Δfhd,n(x)为负说明泥沙沉积减少。而由于Δfhd,n(x)是在随河面宽度变化的函数，其并非是一个固定的值，在对应不同的河面宽度处的取值，通常不同，正负取值也可能不同。泥沙的沉积，与河水的流速有关，河水流速低的地方，沉积量通常较大；河水流速高的地方，沉积量通常较小，甚至出现负值的情况。在另一方面泥沙的沉积量，也能在一定程度上解释或体现出附近水土流失情况的发生。因而这一参数也可以用于预测水土流失情况，或者用于评估解决水土流失措施的效果。
考虑到沿河面宽度方向上，水土沉积量会有不同，所述步骤S8中，所述河底轮廓的高度变化量包括，第一高度变化量、第二高度变化量、第三高度变化量和平均高度变化量；
其中，河道被水流覆盖的部分沿宽度方向三等分，中间部分对应的河底轮廓的高度变化量为第二高度变化量，两侧的部分分别为第一高度变化量和第三高度变化量；将相邻两次测得的河底轮廓作差后得到函数对河底宽度进行积分，根据积分区域的不同，分别得到第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量。对第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量求取平均值，得到平均高度变化量。
即，
Figure BDA0003024770290000101
Figure BDA0003024770290000102
Figure BDA0003024770290000103
Figure BDA0003024770290000111
其中，[x1,x2]为河面宽度在坐标系上的范围；ΔH1为第一高度变化量，ΔH2为第二高度变化量，ΔH3为第三高度变化量，
Figure BDA0003024770290000112
为平均高度变化。
在具体实施时，步骤S9为，分别对所述第一高度变化量、所述第二高度变化、所述第三高度变化量和平均高度变化量进行时间维度上的拟合，以分别得到第一高度变化量、第二高度变化量、第三高度变化量的变化趋势。从而可以研究不同宽度处的泥沙沉积量的变化。
值得注意的是，在同一条河流上，由于河道支路的差别，以及为了对整条河道的纵向变化进行监测，需要在河道上选出多个测量处。如此，还可以根据前述水文数据，得到支流对于河道水文参数的影响。
实施例2
本实施例提出了一种河流水文测量装置，包括横设于河道上的索道，吊设于索道上的水流测速仪、含沙量检测仪和水位计；其中，水流测速仪、含沙量检测仪和水位计均为现有技术，在此不再单独说明。
还包括固定设置于河岸的固定桩，所述固定桩上设置有水平激光仪，所述水平激光仪用于形成参照面。固定桩的作用在于便于放置水平激光仪，并保证在不同次的测量时，水平激光仪所产生的水平激光面相等，以消除由于参照面不同而带来的误差。
所述水流测速仪和含沙量检测仪均通过吊索与所述索道连接；吊索的长度应当设置为可控，以便于测量不同深度处的各测量点水流流速数据。具体实施时，所述水位计用于读取水面距离所述参照面之间的距离；
所述吊索上还设有铅鱼；具体实施时，所述铅鱼用于在测量时减小水流的影响，同时，还可以利用铅鱼与吊索的配合来测量河底到水平激光面的距离。具体地，铅鱼连接在吊索的下端，且吊索上设有刻度，在测量时，将铅鱼沿放到河底，将吊索微微拉直，通过测激光面在吊索上投射的点对应的刻度即可得到河底的深度值。具体地，为了便于统计测量数量，还包括控制器，所述控制器获取测试点的位置数据和检测数据；并将所述位置数据和检测数据通过网络输出给远程上位机，以通过所述远程上位机按实施例1中步骤S5和步骤S6的方法进行处理。
需要指出的是，关于泥沙的测量，可以参照公开号为CN209911177U的中国专利，关于流速的测量，可以参照公开号为CN210514356U的中国专利。
与现有技术相比，本发明实施例1和实施例2至少存在如下有益效果：
1，考虑到同一横截面上，不同位置的水的流速不同，不同位置的含沙量不同，本发明通过建立坐标系，对于同一横截面上的多个点进行拟合，得到流速在不同截面处的位置关系，从而得到对应的水文拟合函数；在横截面区域内对水文拟合函数进行双重积分，即可得到对应的水文数据；从而将保证流量的准确性；
2，考虑到河底轮廓线受泥沙沉积的影响，以及水面轮廓受流速影响，导致水的横截面发生变化，本发明在测量时，通过获取河底轮廓线和水面轮廓线，以保证在测量时，所得到的横截面与测量时的实际横截面相同，从而消除由于泥沙沉积及水面轮廓受流速的影响；
3，由于河底轮廓处常伴有淤泥，若通过设备逐一描绘出完整的曲线，会对河底的淤泥的原有形态造成破坏，进而影响到河水的流速及含沙时的检测。本发明通过多点检测，利用多项式拟合的方式得到河底的轮廓线；从而能够避免对于后续测量的影响；
4，根据流速特点及泥沙分布特点，本发明通过设定测量点的分布密度，使得测量点在影响较大的靠近河底的区域，使测量点较多，而在水流及含沙量影响较小的中上层水域，使测量点略少，能够保证拟合时的准确性。
5，通过按时间维度对历史测量数据的拟合，提到河底轮廓高度变化量随时间的变化关系，以便于观测河岸及对应区域内的水土流失问题。同时，根据河底轮廓高度变化量随时间的变化关系，还可以对未来一段时间内的水土流失问题进行预测。
6，通过将河底轮廓的高度变化量沿河面宽度分成第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量，能够获取不同宽度位置处的河底轮廓变化量。
7，通过第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量在时间维度上的拟合，能够得到第一高度变化量、第二高度变化量、第三高度变化量的变化趋势与时间关系，便于观测泥沙沉积的情况。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种河流水文测量方法，其特征在于,包括如下步骤：
S1，在待测量的河流上选取测量处；
S2，获取测量处的横截面的形状；
S3，在测量处选取若干测量点，并记录测量点在该横截面上的位置；
S4，分别对不同测量点进行测量；
S5，对测量结果进行拟合，以得到测量值在该横截面范围内的水文拟合函数；
S6，在所述横截面的区域内对所述水文拟合函数进行积分，以得到对应的水文数据。
2.根据权利要求1所述的河流水文测量方法，其特征在于,步骤S2中，包括如下步骤：
S21，以河道宽度方向为横坐标，以高度方向为纵坐标，建立坐标系；
S22，获取测量处的河底轮廓线；
S23，获取测量处的水面轮廓线；
S24，将河底轮廓线和水面轮廓线转换到该坐标系上，形成一个封闭的区域，将该封闭的区域作为测量处的横截面。
3.根据权利要求2所述的河流水文测量方法，其特征在于，步骤S22为，S221，在测量处，沿河面宽度方向选取多个河底测点，测量河底测点处的河底到设定水平面的距离；
S222，将河底测点在横截面上的位置与该河底测点到该设定水平面的距离，转换到所述坐标系上；
S223，对各河底测点的测量结果进行多项式拟合，得到河底高度关于河面宽度的河底高度拟合函数；其中，所述多项式拟合中的最高次幂为4到8。
4.根据权利要求2所述的河流水文测量方法，其特征在于，步骤S23包括如下具体步骤，
S231，在测量处，沿河面宽度方向选取多个河面测点，测量河面测点处的水面到一设定水平面的距离；
S232，将河面测点在横截面上的位置与该河面测点处的水面到该设定水平面的距离，转换到该坐标系上；
S233，对各河面测点的测量结果进行二次多项式拟合，得到水面高度关于河面宽度的水面高度拟合函数；
S234，将该水面高度拟合函数在河面宽度范围内的曲线作为水面轮廓线。
5.根据权利要求2所述的河流水文测量方法，其特征在于,步骤S3中，在选取测量点时，每两平方米内至少有一个测量点；且所述测量点的分布，沿从河面中心处向河底轮廓的方向，测量点的分布密度逐渐增大。
6.根据权利要求1所述的河流水文测量方法，其特征在于,步骤S4中，对测量点进行测量的内容包括：该测量点的流速和/或单位时间流过的沙量；
其中，利用各测量点的流速及坐标值拟合出在该横截面上的流速拟合函数，通过对流速拟合函数在该横截面上进行双重积分，得到流量；
利用各测量点单位时间流过的沙量及坐标值拟合出在该横截面上的沙量拟合函数，通过对沙量拟合函数在该横截面上进行双重积分，得到单位时间内流过该横截面的沙量；
根据单位时间内流过该横截面的沙量和该流量，计算该测量处的含沙量。
7.根据权利要求2所述的河流水文测量方法，其特征在于,还包括如下步骤：
S7，每间隔设定时间后，重复步骤S1到步骤S5，其中，设定时间为30到90天；
S8，按照时间顺序，将相邻两次测量时的河底轮廓作差，以得出河底轮廓的高度变化量；
S9，根据河底轮廓的高度变化量与对应的时间数据，拟合出河底轮廓的高度变化量随时间的变化关系；
其中，在步骤S6中，将水文数据记为SJsw；其计算公式如下：
Figure FDA0003024770280000021
其中，D为横截面区域，也就是积分区域，dσ表示该横截面区域的面积元素，[x1,x2]为该河面宽度在坐标系上对应的横坐标范围，fsw(x,y)为单位时间内的水纹数据对x和y两个自变量的拟合函数，fhm(x)为水面高度拟合函数，fhd(x)为河底高度拟合函数。
8.根据权利要求7所述的河流水文测量方法，其特征在于,步骤S8中，所述河底轮廓的高度变化量包括，第一高度变化量、第二高度变化量、第三高度变化量和平均高度变化量；
其中，河道被水流覆盖的部分沿宽度方向三等分，中间部分对应的河底轮廓的高度变化量为第二高度变化量，两侧的部分分别为第一高度变化量和第三高度变化量；
将相邻两次测得的河底轮廓作差后得到函数对河底宽度进行积分，根据积分区域的不同，分别得到第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量；
对第一高度变化量、第二高度变化量和第三高度变化量求取平均值，得到平均高度变化量。
9.根据权利要求8所述的河流水文测量方法，其特征在于，步骤S9为，分别对所述第一高度变化量、所述第二高度变化、所述第三高度变化量和平均高度变化量进行时间维度上的拟合，以分别得到第一高度变化量、第二高度变化量、第三高度变化量的变化趋势。
10.一种河流水文测量装置，包括横设于河道上的索道，吊设于索道上的水流测速仪、含沙量检测仪和水位计；其特征在于：
还包括固定设置于河岸的固定桩，所述固定桩上设置有水平激光仪，所述水平激光仪用于形成参照面；
所述水流测速仪和含沙量检测仪均通过吊索与所述索道连接；
所述水位计用于读取水面距离所述参照面之间的距离；
所述吊索上还设有铅鱼；
还包括控制器，所述控制器获取测试点的位置数据和检测数据；并将所述位置数据和检测数据通过网络输出给远程上位机，以通过所述远程上位机按如权利要求1-9任一项中步骤S5和步骤S6的方法进行处理。
CN202110413234.9A 2021-04-16 2021-04-16 一种河流水文测量方法及装置 Active CN113219202B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110413234.9A CN113219202B (zh) 2021-04-16 2021-04-16 一种河流水文测量方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110413234.9A CN113219202B (zh) 2021-04-16 2021-04-16 一种河流水文测量方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113219202A true CN113219202A (zh) 2021-08-06
CN113219202B CN113219202B (zh) 2022-05-17

Family

ID=77087594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110413234.9A Active CN113219202B (zh) 2021-04-16 2021-04-16 一种河流水文测量方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113219202B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113932862A (zh) * 2021-09-30 2022-01-14 上海市环境科学研究院 一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法
CN115540971A (zh) * 2022-10-08 2022-12-30 速度时空信息科技股份有限公司 一种基于语音识别的地理信息数据采集系统

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU432391A1 (ru) * 1972-11-09 1974-06-15 В. М. Тимец Устройство для определения среднего направления течения
JPH10160549A (ja) * 1996-11-28 1998-06-19 Kaijo Corp 堆積物測定装置の表示方法
US20110240310A1 (en) * 2008-12-18 2011-10-06 Tao Sun Overlapped Multiple Layer Depth Averaged Flow Model Of A Turbidity Current
US20110271752A1 (en) * 2010-05-06 2011-11-10 Riegl Laser Measurement Systems Gmbh Laser Hydrography
CN104535125A (zh) * 2015-01-26 2015-04-22 中国农业大学 一种河流流量监测装置及河流流量计算方法
JP2015111097A (ja) * 2013-11-07 2015-06-18 株式会社 メカトロ技研 水際から離隔した位置からの水面挙動の計測方法
CN105134187A (zh) * 2015-08-18 2015-12-09 中国石油天然气股份有限公司 一种辅助油藏沉积相划分及连通性评价的方法及装置
CN108168635A (zh) * 2018-01-31 2018-06-15 长江水利委员会水文局 河道流量实时在线监测方法及装置
CN108460483A (zh) * 2018-02-09 2018-08-28 中国水利水电科学研究院 一种天然河道流量的定量反演方法
CN108612037A (zh) * 2018-06-14 2018-10-02 国电南瑞科技股份有限公司 一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的方法及其系统
CN109060056A (zh) * 2018-08-20 2018-12-21 长江水利委员会长江科学院 一种非接触式雷达测流的河道断面流量计算方法
CN110702079A (zh) * 2019-10-12 2020-01-17 中国水利水电科学研究院 一种冰盖下流速分布的推演方法
CN112560595A (zh) * 2020-11-30 2021-03-26 武汉大学 基于河流表面流速的河道断面流量计算方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU432391A1 (ru) * 1972-11-09 1974-06-15 В. М. Тимец Устройство для определения среднего направления течения
JPH10160549A (ja) * 1996-11-28 1998-06-19 Kaijo Corp 堆積物測定装置の表示方法
US20110240310A1 (en) * 2008-12-18 2011-10-06 Tao Sun Overlapped Multiple Layer Depth Averaged Flow Model Of A Turbidity Current
US20110271752A1 (en) * 2010-05-06 2011-11-10 Riegl Laser Measurement Systems Gmbh Laser Hydrography
JP2015111097A (ja) * 2013-11-07 2015-06-18 株式会社 メカトロ技研 水際から離隔した位置からの水面挙動の計測方法
CN104535125A (zh) * 2015-01-26 2015-04-22 中国农业大学 一种河流流量监测装置及河流流量计算方法
CN105134187A (zh) * 2015-08-18 2015-12-09 中国石油天然气股份有限公司 一种辅助油藏沉积相划分及连通性评价的方法及装置
CN108168635A (zh) * 2018-01-31 2018-06-15 长江水利委员会水文局 河道流量实时在线监测方法及装置
CN108460483A (zh) * 2018-02-09 2018-08-28 中国水利水电科学研究院 一种天然河道流量的定量反演方法
CN108612037A (zh) * 2018-06-14 2018-10-02 国电南瑞科技股份有限公司 一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的方法及其系统
CN109060056A (zh) * 2018-08-20 2018-12-21 长江水利委员会长江科学院 一种非接触式雷达测流的河道断面流量计算方法
CN110702079A (zh) * 2019-10-12 2020-01-17 中国水利水电科学研究院 一种冰盖下流速分布的推演方法
CN112560595A (zh) * 2020-11-30 2021-03-26 武汉大学 基于河流表面流速的河道断面流量计算方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XU BIN: "Hydrological alteration and attribution analysis on the river of Wulijimuren", 《 2011 INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON WATER RESOURCE AND ENVIRONMENTAL PROTECTION》 *
北京邮电大学数学系: "《高等数学下》", 31 January 2018 *
孔庆怀等: "一种基于流速仪法的水轮机流量计算方法——流速面积法", 《大电机技术》 *
宗永臣: "河网系统的非线性特性及其分形研究", 《硕士电子期刊，基础科学; 工程科技Ⅱ辑》 *
张双德: "《高等数学》", 31 August 2005 *
张敏: "径—潮流作用下长江口能量季节性变化及河势稳定性研究", 《博士电子期刊，工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113932862A (zh) * 2021-09-30 2022-01-14 上海市环境科学研究院 一种感潮河网地区旱地农田沟渠入河口水量水质监测方法
CN115540971A (zh) * 2022-10-08 2022-12-30 速度时空信息科技股份有限公司 一种基于语音识别的地理信息数据采集系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113219202B (zh) 2022-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113219202B (zh) 一种河流水文测量方法及装置
CN108254032B (zh) 河流超声波时差法流量计算方法
Braca Stage-discharge relationships in open channels: Practices and problems
Lick et al. The resuspension and transport of fine-grained sediments in Lake Erie
CN113124941B (zh) 一种河道流量非接触式测量及精确计算方法
Mariotti et al. Wind waves on a mudflat: The influence of fetch and depth on bed shear stresses
Elias et al. Hydrodynamic validation of Delft3D with field measurements at Egmond
Scully et al. The influence of asymmetries in overlying stratification on near-bed turbulence and sediment suspension in a partially mixed estuary
Voogt et al. Sediment transport of fine sands at high velocities
Lin et al. Regime shifts in the Changjiang (Yangtze River) Estuary: The role of concentrated benthic suspensions
Grass et al. Bed load transport of fine sand by laminar and turbulent flow
CN111597506A (zh) 近岸波浪破碎参数和波高的预测方法
Guymer et al. Longitudinal dispersion coefficients in estuary
Box et al. Transport and deposition of fine sediment in a channel partly covered by flexible vegetation
Paarlberg et al. Integration of a dune roughness model with a large-scale flow model
Aberle Spatially averaged near-bed flow field over rough armor layers
CN111487616B (zh) 一种流量计量方法
CN114611425A (zh) 波浪作用下细粉沙层移运动特征分析方法
Otuagoma et al. Comparative measurement of stream flow in the ethiope River for small hydropower development
CN107860372B (zh) 海底摩擦导致波浪衰减的实地测量方法
CN112326194B (zh) 一种基于波能通量推算实测波浪摩擦系数的测量分析方法
Cawley et al. Sensitivity of a 2-dimensional hydrodynamic model to boundary conditions
CN114674526B (zh) 波浪作用下细粉沙层移运动临界条件确定方法
Nguyen et al. Morphodynamic modeling of the medium-term migration of a tidal channel using process-based model
Ardiclioglu et al. Investigation of average shear stress in natural stream

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant