CN108534845A - 明渠流量测定装置和测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种明渠均匀流流量测定方法及该测定方法所使用的装置，该方法不同于现有的流体力学计算时装置的物理安装方式，可采用固定式安装，不与水接触；实时测定流量，无需人工参与，可抵抗灾害天气；测量结果周期、流体力学计算方法也与现有的流体力学计算不同，计算过程引入流体动力学特性，提高计算结果的准确度和精度。

Description

明渠流量测定装置和测定方法

技术领域

本发明属于水纹水资源监测技术领域，具体涉及一种明渠流量测定方法。

背景技术

流量的最基本计算方法是平均流速乘以截面积，然后因为截面上各点流速不同，所以必须至少要测定一个流速参考点，并按照特定规则计算截面的流速特性，进而计算出流量。

传统测量水流均匀流流量的方法有经验公式计算法，浮子流量计计算法和走航式流量计算法。

采用经验公式近似计算：由曼宁公式和谢才公式推算Q＝AR^2/3J^1/2/n，其中A为过水截面积，R为水力半径，J为水力梯度，n为糙率。测定时使用水深传感器获得水面深度，根据渠道特性计算过水截面积和水力半径，进而推导出截面流量。

使用浮子流量计计算：浮子流量计本体由一个锥形管和一个置于锥形管中可以上下自由移动的浮子(或称转子)构成。浮子流量计本体用两端法兰、螺纹或软管与测量管道连接，并且垂直安装在测量管道上。当流体自下而上流入锥管时，被浮子截流，在浮子上、下游之间产生压力差，浮子在压力差的作用下上升，此时作用在浮子上的力有三个：流体作用在浮子上的动压力、浮子在流体中的浮力、浮子的重力。当锥管垂直安装时，浮子重心与锥管管轴相重合，作用在浮子上的三个力都落在管轴上。当这些力平衡时，浮子就平稳地浮在锥管内某一位置上。对于给定的浮子流量计，浮子大小和形状己经确定，因此它在流体中的浮力和自身重力都是已知的，是常量，唯有流体对浮子的动压力是随来流大小而变化的。因此当来流变大或变小时，浮子将在其平衡位置上，作向上或向下的移动，当来流重新恒定时，浮子就在新的位置上稳定。对于一台给定的浮子流量计，浮子在锥管中的位置与流体流经锥管的流量的大小成一一对应关系。这就是浮子流量计的计量原理。

走航式流量计算：英文名Acoustic Doppler Current Profilers(简称ADCP)即声学多普勒流速剖面仪。它是利用声学多普勒原理研制的目前世界上最先进的河流流速流量实时测量设备。ADCP测验设备实际上包括：ADCP换能器(4个探头)、ADCP操作软件、外接设备(GPS导航、GPS罗经)等3个主要部分组成。利用声学原理，ADCP向水体发射一个(一对或一组)声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此频移量计算出水流相对于ADCP的速度。同时，ADCP还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP安装平台(测船)的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流相对大地坐标的绝对速度。水流绝对速度、小船的行驶速度、水深与每组数据测量时间间隔可直接计算出各小块断面的流量；当小船横跨整个断面后，总流量即可通过逐个分块小断面流量累加得到。

目前，使用经验公式或浮子流量计测定算法，测定设备与水长时间接触，容易造成腐蚀和物理损坏，且计算精度不高。使用走航式方法，测量精度高，但是没办法实时获取截面流量；由于需要人员参与，遇到洪涝等情况，不适宜作业，无法获取流量数据。

发明内容

为克服现有技术中各种测量方法存在的问题，本发明提供一种明渠均匀流流量测定方法及该测定方法所使用的装置，该方法不同于现有的流体力学计算时装置的物理安装方式，可采用固定式安装，不与水接触；实时测定流量，无需人工参与，可抵抗灾害天气；测量结果周期、流体力学计算方法也与现有的流体力学计算不同，计算过程引入流体动力学特性，提高计算结果的准确度和精度。

基于此，本发明提供一种明渠均匀流流量测定装置，其包括：GPRS通信设备、水位传感器、流速传感器、计算设备和太阳能电池板；

所述水位传感器基于超声波技术测定水面深度；

所述流速传感器基于多普勒技术测定水面流速；

所述计算设备收集水位传感器和流速传感器传递而来的水面深度和水面流速测量结果，基于流体动力学原理，使用有限元方法，以渠道特性、水面流速和水面深度作为边界条件计算渠道流量；

所述GPRS通信设备基于计算设备传递而来的计算结果实时传输到后台，所述GPRS通信设备通过太阳能电池板供电。

其中，所述计算设备计算渠道流量的算法包括：

第一步，将河流的笛卡尔坐标系映射到(s，n，σ)坐标系下(s为河道中心线方向；n为河道中心线的水平法线方向；σ为垂向伸缩坐标，在河面值为0，河床值为-1，具体映射规则为σ＝(z-H)/(H-z₀)，其中z₀为河床高程，H为水深)，计算网络单元格为长方体，水位和流速节点采用交错布置，其中(u，v，ω)为对应(s，n，σ)方向的流速；

第二步，基于静压假定和Bossinesq假定，可以得到河流的控制方程为：

其中t为时间；R＝过水面积/湿周，为水力半径；g为重力加速度；h＝H-z₀为水深；(u，v，ω)为对应(s，n，σ)坐标方向上的流速；(ε_s，ε_n，ε_σ)为对应(s，n，σ)坐标方向上的紊动粘滞系数；

第三步，对基本控制方程①～③，从河床至水面进行积分，得到：

其中表示(s，n)方向的平均流速；(τ_0s，τ_0n)为(s，n)方向的底部切应力；ρ为水密度；其中α、β为经验修正系数，(n_m为曼宁糙率系数)为河床摩阻流速；

定义分别计算①-④、②-⑤、③-⑥得到：

第四步，对方程⑨从河床(σ＝-1)开始积分得到

根据的值，可以从(s，n，σ)坐标系转换回笛卡尔坐标系，并进一步计算出河流垂向流速：

第五步，在笛卡尔坐标系，对w沿河流截面做二维积分，可以得到截面流量：

(A表征河流截面)。

其中，求解④～⑥的方程组的边界条件为：

(1)非边界节点，各变量值均初始为0。

(2)上下游边界的流量水位根据实测值决定。

(3)两侧岸壁，

(4)底部切应力其中C＝h^1/6/n_m(n_m为曼宁糙率系数)为谢才系数，取经验值；(u₁，v₁)为从床面开始垂直向上第一层节点处的流速值，该值由⑦～⑨计算提供。

其中，求解⑦～⑨的方程组的边界条件为：

(1)上游边界处u/u_m＝(z/h)^1/7，u_m为水面流速，其余非边界节点变量均初始为0。

(2)河面不考虑风的切应力：

(3)在河床假定无滑移：u＝v＝ω＝0。

(4)两侧岸壁：

(5)取其中为垂线紊动混合长度。计算时，u，v取上一时刻的近似值。

有益的技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1、使用悬浮式安装，避免河水的腐蚀和物理损坏。

2、引入流体动力学原理，使用有限元方法计算，提高计算精度。

3、测定过程不需要人工参与，避免灾害天气给工作人员带来的危险。

4、测量周期短，极大的避免渠道流速、水位实时变化带来的影响。

实时获取截面流量，有益于对水文特性的评估。。

附图说明

图1明渠均匀流流量测定装置示意图。

图2明渠均匀流流量测定方法的河流的笛卡尔坐标系示意图；

图3采用本发明流量测定装置和测定方法获得的计算流量和实测流量比对。

具体实施方式

本发明提供一种明渠均匀流流量测定装置，其包括：GPRS通信设备、水位传感器、流速传感器、计算设备和太阳能电池板；

所述水位传感器基于超声波技术测定水面深度；

所述流速传感器基于多普勒技术测定水面流速；

所述计算设备收集水位传感器和流速传感器传递而来的水面深度和水面流速测量结果，基于流体动力学原理，使用有限元方法，以渠道特性、水面流速和水面深度作为边界条件计算渠道流量；

所述GPRS通信设备基于计算设备传递而来的计算结果实时传输到后台，所述GPRS通信设备通过太阳能电池板供电。

所述计算设备计算渠道流量的算法如下：

第一步，将河流的笛卡尔坐标系映射到(s，n，σ)坐标系下(s为河道中心线方向；n为河道中心线的水平法线方向；σ为垂向伸缩坐标，在河面值为0，河床值为-1，具体映射规则为σ＝(z-H)/(H-z₀)，其中z₀为河床高程，H为水深)，计算网络单元格为长方体，水位和流速节点采用交错布置，其中(u，v，ω)为对应(s，n，σ)方向的流速；

第二步，基于静压假定和Bossinesq假定，可以得到河流的控制方程为：

其中，t为时间；R＝过水面积/湿周，为水力半径；g为重力加速度；h＝H-z₀为水深；(u，v，ω)为对应(s，n，σ)坐标方向上的流速；(ε_s，ε_n，ε_σ)为对应(s，n，σ)坐标方向上的紊动粘滞系数；

第三步，对基本控制方程①～③，从河床至水面进行积分，得到：

其中表示(s，n)方向的平均流速；(τ_0s，τ_0n)为(s，n)方向的底部切应力；ρ为水密度；其中α、β为经验修正系数，(n_m为曼宁糙率系数)为河床摩阻流速；

定义分别计算①-④、②-⑤、③-⑥得到：

第四步，对方程⑨从河床(σ＝-1)开始积分得到

根据ω的值，可以从(s，n，σ)坐标系转换回笛卡尔坐标系，并进一步计算出河流垂向流速：

第五步，在笛卡尔坐标系，对w沿河流截面做二维积分，可以得到截面流量：

(A表征河流截面)。

其中，求解④～⑥的方程组的边界条件为：

(1)非边界节点，各变量值均初始为0。

(2)上下游边界的流量水位根据实测值决定。

(3)两侧岸壁，

(4)底部切应力其中C＝h^1/6/n_m(n_m为曼宁糙率系数)为谢才系数，取经验值；(u₁，v₁)为从床面开始垂直向上第一层节点处的流速值，该值由⑦～⑨计算提供。

其中，求解⑦～⑨的方程组的边界条件为：

(1)上游边界处u/u_m＝(z/h)^1/7，u_m为水面流速，其余非边界节点变量均初始为0。

(2)河面不考虑风的切应力：

(3)在河床假定无滑移：u＝v＝ω＝0。

(4)两侧岸壁：

(5)取其中为垂线紊动混合长度。计算时，u，v取上一时刻的近似值。

以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以买施。

如图1所示，本发明提供的明渠均匀流流量测定装置包括GPRS通信设备、水位传感器、流速传感器、计算设备和太阳能电池板；所述水位传感器基于超声波技术测定水面深度；所述流速传感器基于多普勒技术测定水面流速；所述计算设备收集水位传感器和流速传感器传递而来的水面深度和水面流速测量结果，基于流体动力学原理，使用有限元方法，以渠道特性、水面流速和水面深度作为边界条件计算渠道流量；所述GPRS通信设备基于计算设备传递而来的计算结果实时传输到后台，所述GPRS通信设备通过太阳能电池板供电。

如图2所示，所述计算设备计算渠道流量的算法如下：

第一步，将河流的笛卡尔坐标系映射到(s，n，σ)坐标系下(s为河道中心线方向；n为河道中心线的水平法线方向；σ为垂向伸缩坐标，在河面值为0，河床值为-1，具体映射规则为σ＝(z-H)/(H-z₀)，其中z₀为河床高程，H为水深)，计算网络单元格为长方体，水位和流速节点采用交错布置，其中(u，v，ω)为对应(s，n，σ)方向的流速；

第二步，基于静压假定和Bossinesq假定，可以得到河流的控制方程为：

其中，t为时间；R＝过水面积/湿周，为水力半径；g为重力加速度；h＝H-z₀为水深；(u，v，ω)为对应(s，n，σ)坐标方向上的流速；(ε_s，ε_n，ε_σ)为对应(s，n，σ)坐标方向上的紊动粘滞系数；

第三步，对基本控制方程①～③，从河床至水面进行积分，得到：

其中表示(s，n)方向的平均流速；(τ_0s，τ_0n)为(s，n)方向的底部切应力；ρ为水密度；其中α、β为经验修正系数，(n_m为曼宁糙率系数)为河床摩阻流速；

定义分别计算①-④、②-⑤、③-⑥得到：

第四步，对方程⑨从河床(σ＝-1)开始积分得到

根据ω的值，可以从(s，n，σ)坐标系转换回笛卡尔坐标系，并进一步计算出河流垂向流速：

第五步，在笛卡尔坐标系，对w沿河流截面做二维积分，可以得到截面流量：

(A表征河流截面)。

其中，求解④～⑥的方程组的边界条件为：

(1)非边界节点，各变量值均初始为0。

(2)上下游边界的流量水位根据实测值决定。

(3)两侧岸壁，

(4)底部切应力其中C＝h^1/6/n_m(n_m为曼宁糙率系数)为谢才系数，取经验值；(u₁，v₁)为从床面开始垂直向上第一层节点处的流速值，该值由⑦～⑨计算提供。

其中，求解⑦～⑨的方程组的边界条件为：

(1)上游边界处u/u_m＝(z/h)^1/7，u_m为水面流速，其余非边界节点变量均初始为0。

(2)河面不考虑风的切应力：

(3)在河床假定无滑移：u＝v＝ω＝0。

(4)两侧岸壁：

(5)取其中为垂线紊动混合长度。计算时，u，v取上一时刻的近似值。

坳下坪(二)水文站于2005年12月由原坳下坪水文站上迁3.5公里设立，是长江流域赣江水系遂川江二级支流禾源水上的小河水文站，位于江西省遂川县禾源镇禾源村，东径114°25.6′，北纬26°11.2′，集水面积86.4km²，距河口18.5km。采用本发明提供的测定装置和测定方法检测其流量。结果见图3。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种明渠均匀流流量测定装置，其特征在于，包括：GPRS通信设备、水位传感器、流速传感器、计算设备和太阳能电池板；

所述水位传感器基于超声波技术测定水面深度；

所述流速传感器基于多普勒技术测定水面流速；

所述计算设备收集水位传感器和流速传感器传递而来的水面深度和水面流速测量结果，基于流体动力学原理，使用有限元方法，以渠道特性、水面流速和水面深度作为边界条件计算渠道流量；

所述GPRS通信设备基于计算设备传递而来的计算结果实时传输到后台，所述GPRS通信设备通过太阳能电池板供电。

2.如权利要求1所述的明渠均匀流流量测定装置，其特征在于：所述计算设备计算渠道流量的算法包括，

第一步，将河流的笛卡尔坐标系映射到(s，n，σ)坐标系下(s为河道中心线方向；n为河道中心线的水平法线方向；σ为垂向伸缩坐标，在河面值为0，河床值为-1，具体映射规则为σ＝(z-H)/(H-z₀)，其中z₀为河床高程，H为水深)，计算网络单元格为长方体，水位和流速节点采用交错布置，其中(u，v，ω)为对应(s，n，σ)方向的流速；

第二步，基于静压假定和Bossinesq假定，可以得到河流的控制方程为：

其中t为时间；R＝过水面积/湿周，为水力半径；g为重力加速度；h＝H-z₀为水深；(u，v，ω)为对应(s，n，σ)坐标方向上的流速；(ε_s，ε_n，ε_σ)为对应(s，n，σ)坐标方向上的紊动粘滞系数；

第三步，对基本控制方程①～③，从河床至水面进行积分，得到：

其中表示(s，n)方向的平均流速；(τ_0s，τ_0n)为(s，n)方向的底部切应力；ρ为水密度；其中α、β为经验修正系数，(n_m为曼宁糙率系数)为河床摩阻流速；

定义分别计算①-④、②-⑤、③-⑥得到：

第四步，对方程⑨从河床(σ＝-1)开始积分得到

根据ω的值，可以从(s，n，σ)坐标系转换回笛卡尔坐标系，并进一步计算出河流垂向流速：

第五步，在笛卡尔坐标系，对w沿河流截面做二维积分，可以得到截面流量：

3.如权利要求1或2所述的明渠均匀流流量测定装置，其特征在于：求解④～⑥的方程组的边界条件为：

(1)非边界节点，各变量值均初始为0。

(2)上下游边界的流量水位根据实测值决定。

(3)两侧岸壁，

(4)底部切应力其中C＝h^1/6/n_m(n_m为曼宁糙率系数)为谢才系数，取经验值；(u₁，v₁)为从床面开始垂直向上第一层节点处的流速值，该值由⑦～⑨计算提供。

4.如权利要求1至3所述的明渠均匀流流量测定装置，其特征在于：求解⑦～⑨的方程组的边界条件为：

(1)上游边界处u/u_m＝(z/h)^1/7，u_m为水面流速，其余非边界节点变量均初始为0。

(2)河面不考虑风的切应力：

(3)在河床假定无滑移：u＝v＝ω＝0。

(4)两侧岸壁：

(5)取其中为垂线紊动混合长度。计算时，u，v取上一时刻的近似值。