CN113124941A - 一种河道流量非接触式测量及精确计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种河道流量非接触式测量及精确计算方法，包括：在河道横断面上按一定距离测量断面，获取断面高程数据(或相对高程数据)，根据断面实测数据，进行多项式拟合，获取河道断面形态；通过自动控制装置定距牵动测速雷达，获得断面不同位置河道表面流速及水位(或相对水位)；基于不同位置实测表面流速，利用明渠表面流速与断面平均流速关系公式计算相应位置平均流速，并进行多项式拟合，获取河道断面平均流速分布公式；根据水力学天然河道流量计算原理，通过垂线将河道横断面均匀划分为若干多边形，依次计算多边形面积，利用河道断面平均流速分布公式，计算各多边形对应垂线中心点平均流速，进而计算多边形对应的流量，最后通过累加计算整个河道断面流量。本发明对复杂水情下实时在线测量河道流量具有重要的实用价值。

Description

一种河道流量非接触式测量及精确计算方法

技术领域

本发明涉及水文测量技术领域，具体是一种河道流量非接触式测量及精确计算方法。

背景技术

河道流量是河流水文计算、水资源评价、水生态环境评价的重要基础数据，河道流量测验计算也是水文工作的重要内容，每年投入了大量人力物力。目前，我国河流、渠道流量测定以接触式测流技术为主，最为常用的方法为转子式流速仪法、超声波时差法和多普勒ADCP法。转子式流速仪法需要人工操作，劳动强度大，且存在机械惯性，响应速度慢，无法测量快速变化的湍流，并且转子式流速仪需要定期检定和维护，流量较大时无法入水测量；超声波时差法使用的仪器对水质要求较高，仪器须在清水中工作，在浑浊水体或在狭窄渠道(渠宽小于 3倍水深)测量时精度较差；多普勒ADCP法必须进行船载测量，需要人工操作，在泥沙或杂质含量较高的水体测量时准确度较差，对于宽度较小的渠道无法进行测量，遇到水情复杂的河段或汛期，测量作业危险性高。传统的接触式测流技术，信息化程度不高、自动化程度较低，无法满足实时在线长时间监测的需要。为此，亟需寻找一种实时在线、全自动、精度高、人力物力成本低的测流方法。

河道流量非接触式测量方法的提出，很好的解决了传统接触式河道测流存在的问题。在中小河流河道测流中，雷达测流技术由其较高的自动化、精确性、实时在线监测等特点，受到越来越多的关注。公开号为CN109060056A的专利公布了一种非接触式雷达测流的河道断面流量计算方法，该专利基于实测断面数据，拟合断面多项式，根据固定雷达探头位置、实测水位、表面流速及河床糙率，结合水力学曼宁公式，计算河道断面水面比降，利用计算结果反算河道断面各垂线段间流速，最后通过面积加权法，计算河道大断面流量。公开号为CN 103792533B的专利公布了一种基于固定点的河道断面多点测流方法，该专利基于河道上方固定安装的一个雷达测流仪，测得测流仪所在海拔高度、距待测河道断面垂直距离、各测点距河道断面距离，通过调整雷达测流仪水平朝向、垂直倾角，从而实现测流。公开号为CN 206515468U的专利公布了一种超声波雷达测流***，该***雷达支架设于所监测水体上方，多个雷达探头固定在雷达支架上，通过无线传输模块与雷达站房采集控制器连接，实现非接触式在线测量。公开号为CN 206459711U的专利公布了一种无人机雷达测流***，该***由可悬停无人机、无线遥控雷达测流仪、遥控设备、定位装置、数据远传、数据处理及辅助设备组成，通过人工遥控无人机到指定测流位置进行测量，该专利无需架设测验缆道，可实现非接触测流。

相比接触式测流技术，非接触式雷达测流技术能在野外恶劣环境下，实现人工无法完成的测量工作。现有的河道断面测流计算方法，大多基于统计学分析方法，采用相关系数较高的某条垂线代表的流速，计算整个河道断面流量，这种方法存在“以偏概全”的缺点；现有的河道断面非接触测流方法，通过调整固定测流仪角度、无人机携带测流仪或同时架设多个测流设备，实现断面测流，测流及计算方法还有完善的空间，精度有待进一步提高，自动化程度还须进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种河道流量非接触式测量及精确计算方法，通过非接触式雷达测量多组河道表面流速及水位数据，利用软件拟合获得河道断面形状及平均流速多项式，然后分段细化河道断面，再结合水力学天然河道流量计算原理，解决精确计算河道断面流量的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种河道流量非接触式测量及精确计算方法，包括如下步骤：

第一步，河道断面地形多项式拟合：在研究断面按一定距离进行河岸表面地形和河道水下地形测量，获取测点坐标及相对高程数据，利用软件进行拟合，得到河道断面地形多项式；

第二步，河道断面平均流速多项式拟合：利用自动化控制装置，牵动雷达测速仪器，每间隔一定距离测量一次河道表面流速及对应水位，利用明渠表面流速与断面平均流速关系公式将表面流速换算成平均流速，以测点横坐标及平均流速作为基础数据，用软件进行拟合，得到河道断面平均流速多项式；

第三步，河道断面精细划分：利用密集垂线对拟合河道断面进行均匀划分，根据垂线横坐标，结合河道断面地形多项式，计算垂线河底相对高程，相邻两垂线形成近似直角梯形或直角三角形；

第四步，河道断面流量计算：根据相邻两垂线横坐标，结合河道断面平均流速多项式，计算相邻垂线中间线平均流速；将直角梯形或直角三角形面积乘以相应的平均流速，并进行累加，得到整个河道断面流量。

进一步的，所述的第一步包括以下步骤：

步骤1.1，河道水下地形测量：利用超声波测深仪或走航式多普勒剖面流速仪，从左岸至右岸，间隔一定距离对研究河道断面进行水下地形测量，考虑河道断面最大水深，确定研究断面纵向相对高程零坐标点(零坐标点位于河道断面最深点以下)；

步骤1.2，河岸表面地形测量：针对河岸表面地形，利用水准仪和测距仪沿河道断面方向，以确定的相对高程零坐标点，向外测量两侧河岸相对高程和距离，至两岸固定立柱止，得到河岸表面地形(河岸最外侧测量点高于历史最高洪水位)，左岸固定立柱作为横向相对零坐标点；

步骤1.3，河道断面地形相对高程换算：以确定的相对高程零坐标点，换算河岸表面和河道水下地形相对高程，河岸表面和河道下地形共同组成河道断面地形，河道断面地形测量点位坐标及相对高程记录为(X_i,Y_i,Z_i)；

步骤1.4，河道断面地形多项式拟合：利用计算机软件，采用最小二乘法 (python编程或matlab)，对河道断面地形测量点横坐标及相对高程进行多项式拟合，得到河道断面地形多项式：y(x)＝a_nxⁿ+a_n-1x^n-1+......a₁x+a₀，拟合公式范围位于两岸固定立柱之间，采用确定系数对拟合得到的公式进行检验评价，确保多项式能完美刻画河道地形。

进一步的，所述的第二步包括以下步骤：

步骤2.1，河道断面表面流速测量：利用自动化控制装置，从左岸至右岸，牵动雷达测速仪器，每间隔一定距离测量一次河道表面流速及对应水位，并根据自动控制***绳索牵引距离，确定仪器当前横坐标，得到一组雷达探头横坐标、表面流速及水位数据(X_j，V_j，H_j)；

步骤2.2，河道断面水域边界确定：河道断面水面相对高程一致，根据测得的水位数据，刻画水位线，以水位突变处为节点，确定河道左、右岸水面边界横坐标(X_L，X_R)及水面水位H₀；

步骤2.3，河道表面流速数据转换成平均流速：根据明渠表面流速与断面平均流速关系公式，将探头测得的表面流速转换为垂线平均流速。明渠表面流速与断面平均流速关系公式，参考武汉大学李自立在《地波雷达表面流探测与深层流反演算法研究》论文中基于对数剖面流公式推导的成果公式，如下：

k_s＝3.5D₉₀ (2)

其中，U为平均流速，m/s；u_s为表面流速，m/s；k_s为床面粗糙度；h为垂线水深，m；D₉₀为通过泥沙粒石等容粒径；a_n为系数，通常取3.5；m为描述流况的参数，天然河川中，根据Manning-strickle的经验公式计算，得到m＝1/6(相对粗糙度满足2<＝h/k_s<＝1500的一般砾石河川时适用)，Engelund建议m＝1/8 (相对粗糙度满足13<＝h/k_s<＝15000的大水深小粒径河川时适用)。

步骤2.4，河道平均流速多项式拟合：以雷达探头横坐标及垂线平均流速为基础数据，采用最小二乘法进行多项式拟合，得到河道平均流速多项式： V(x)＝b_nxⁿ+b_n-1x^n-1+......b₁x+b₀。

进一步的，所述的第三步包括以下步骤：

步骤3.1，河道断面垂线划分：利用密集垂线对拟合的河道断面水面区域进行均匀划分m段(m越大越好，表示划分越精细)，垂线条数为m+1条，垂线间距为a＝(X_R-X_L)/m，各垂线横坐标则为X_m＝X_L+(m-1)a；

步骤3.2，垂线水深计算：相邻两垂线形成近似直角梯形或直角三角形，根据垂线横坐标，结合河道断面地形多项式，计算第m条垂线河底相对高程H_m，并换算成水深H_m＝H₀-H_m。

进一步的，所述的第四步包括以下步骤：

步骤4.1，垂线中心点坐标确定：根据相邻两垂线横坐标(或相邻两垂线长度)，确定每段的中心点横坐标为CX_m＝X_L+(m-1)a+0.5a；

步骤4.2，垂线间平均流速计算：将每段中心点横坐标代入河道断面平均流速多项式，得到每段平均流速V(x_m)＝b_nx_m ⁿ+b_n-1x_m ^n-1+......b₁x_m+b₀；

步骤4.3，垂线间直角梯形或直角三角形面积计算：河道断面水面区域均匀划分m段，第1段及第m段，概化为直角三角形，中间的m-2段概化为直角梯形，根据直角三角形及直角梯形面积计算公式，得到垂线间各段面积 S_m＝y(CX_m)a＝y(CX_m)(X_R-X_L)/m；

步骤4.4，整个河道断面流量计算：根据水力学天然河道流量计算原理，每段流量为平均流速乘以对应面积，将直角梯形或直角三角形面积乘以相应的平均流速，则整个河道断面流量为所有分段流量之和，各段流量进行累加后，得到整个河道断面流量

本发明提供的河道流量非接触式测量及精确计算方法，基于水力学原理、计算机拟合技术，为实时在线测流技术提供了一种由河道表面流速、水位计算河道流量的实际操作可行的计算方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供了一种河道流量非接触式测量及精确计算方法，主要目的是解决河道断面流量测量难度大、成本高、精度差、难以实时在线监测的问题，本发明所述方法精度高，适用于中小河流无人值守，实时在线流量监测；

(2)本发明提供的方法可进行河道断面多点测点，充分利用河道断面地形及实测表面流速等大量数据，通过将表面流速转换成平均流速，减小因直接利用表面流速计算流量产生的误差，提高了计算精度；

(3)本发明通过软件对河道地形及河道断面平均流速进行最小二乘法拟合，分别刻画河道断面形状及河道断面流速分布，精确描述河道水文状况，大大提高了河道断面流量测量精度；

(4)本发明提供的方法人工参与度低、自动化程度高，适用于复杂环境、任意水期监测，并可根据水位变化，识别河道断面水面范围，实现任意水位变化下流量精确测量；

(5)本发明提供的精确计算方法，可编写成程序，只需将实测河道断面地形及实测河道断面表面流速数据输入程序，即可自动、快速实现河道断面流量精确计算，为河流流量监测提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明实施例河道断面雷达测流计算示意图；

图2为河道断面实测相对高程与多项式拟合相对高程对比分析图；

图3为示例河道断面0.5m隔段实测流量与本发明实施例计算流量对比分析图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过获取河道断面地形数据、河道断面表面流速及水位数据，利用计算机软件对河道断面地形及平均流速进行多项式拟合，根据水力学天然河道流量计算原理，将河道断面平均划分若干段，通过各段中心点横坐标确定各段水深及平均流速，由各段水深及各段长度得到各段面积，最后通过各段面积与平均流速乘积的累加，得到整个河道断面流量。

下面结合具体实例和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

请参阅图1，本发明实施例提供一种河道流量非接触式测量及精确计算方法，包括如下步骤：

步骤一、河道断面地形多项式拟合

(1)河道水下地形测量：利用走航式多普勒剖面流速仪(M9)，从左岸至右岸，间隔1～2m对研究河道断面进行水下地形测量，考虑河道断面最大水深 6.1m，确定研究断面纵向相对高程零坐标点(当前水面以下6.5m)；

(2)河岸表面地形测量：针对河岸表面地形，利用水准仪和测距仪沿着河道断面方向，以确定的相对高程零坐标点，向外测量两侧河岸相对高程和距离，至两岸固定立柱止，得到河岸表面地形(河岸最外侧测量点高于历史最高洪水位)，左岸固定立柱作为横向相对零坐标点；

(3)河道断面地形相对高程换算：以确定的相对高程零坐标点，换算河岸表面和河道水下地形相对高程，河岸表面和河道下地形共同组成河道断面地形，河道断面地形测量点位坐标及相对高程记录为(X_i,Y_i,Z_i)；

(4)河道断面地形多项式拟合：利用计算机软件，采用最小二乘法(python 编程或matlab)，对河道断面地形测量点横坐标及相对高程进行多项式拟合，得到河道断面地形多项，y(x)＝a_nxⁿ+a_n-1x^n-1+......a₁x+a₀，拟合公式范围位于两岸固定立柱之间，采用确定系数对拟合得到的公式进行检验评价，确保多项式能完美刻画河道地形(如图2)。

步骤二、河道断面平均流速多项式拟合

(1)河道断面表面流速测量：利用自动化控制装置，从左岸至右岸，牵动雷达测速仪器，每间隔2m测量一次河道表面流速及对应水位，并根据自动控制***绳索牵引距离，确定仪器当前横坐标，得到一组雷达探头横坐标、表面流速及水位数据(X_j，V_j，H_j)；

(2)河道断面水域边界确定：河道断面水面相对高程一致，根据测得的水位数据，刻画水位线，以水位突变处为节点，确定河道左、右岸水面边界横坐标 (X_L，X_R)及水面水位H₀；

步骤3，河道表面流速数据转换成平均流速：根据明渠表面流速与断面平均流速关系公式，将探头测得的表面流速转换为垂线平均流速；

明渠表面流速与断面平均流速关系公式，参考武汉大学李自立在《地波雷达表面流探测与深层流反演算法研究》论文中基于对数剖面流公式推导的成果公式，如下：

k_s＝a_nD₉₀ (2)

其中，U为平均流速，m/s；u_s为表面流速，m/s；k_s为床面粗糙度；h为垂线水深，m；D₉₀为通过泥沙粒石等容粒径；a_n为系数，通常取3.5；m为描述流况的参数，天然河川中，根据Manning-strickle的经验公式计算，得到m＝1/6(相对粗糙度满足2<＝h/k_s<＝1500的一般砾石河川时适用)，Engelund建议m＝1/8 (相对粗糙度满足13<＝h/k_s<＝15000的大水深小粒径河川时适用)。

步骤4，河道断面平均流速多项式拟合：以雷达探头横坐标及垂线平均流速为基础数据，采用最小二乘法进行多项式拟合，得到断面平均流速多项式， V(x)＝b_nxⁿ+b_n-1x^n-1+......b₁x+b₀。

步骤三、河道断面精细划分

(1)河道断面垂线划分：利用密集垂线对拟合的河道断面水面区域进行均匀划分m＝100段，垂线条数为101条，垂线间距为a＝0.5，则第m条垂线横坐标为X_m＝X_L+0.5(m-1)；

(2)垂线水深计算：相邻两垂线形成近似直角梯形或直角三角形，根据垂线横坐标，结合河道断面地形多项式，计算第m条垂线河底相对高程H_m，并换算成水深H_m＝H₀-H_m；

步骤四、河道断面流量计算

(1)垂线中心点坐标确定：根据相邻两垂线横坐标(或相邻两垂线长度)，确定每段的中心点横坐标为CX_m＝X_L+0.5m-0.25；

(2)垂线间平均流速计算：将每段中心点横坐标代入河道断面平均流速多项式，得到每段平均流速V(x_m)＝b_nx_m ⁿ+b_n-1x_m ^n-1+......b₁x_m+b₀

(3)垂线间直角梯形或直角三角形面积计算：河道断面水面区域均匀划分 m段，第1段及第100段，概化为直角三角形，中间的98段概化为直角梯形，根据直角三角形及直角梯形面积计算公式，得到垂线间各段面积 S_m＝y(CX_m)a＝y(CX_m)(X_R-X_L)/m

(4)整个河道断面流量计算：根据水力学天然河道流量计算原理，每段流量为平均流速乘以对应面积，将梯形或三角形面积乘以相应的平均流速，则整个河道断面流量为所有分段流量之和，各段流量进行累加后，得到整个河道断面流量

实例检验

本发明示例研究河段属宽浅性河段，河道顺直、河床稳定，河道断面架设固定立柱、自动控制装置、雷达测流设备等，通过自动控制装置及雷达测流设备，匀速在河道两岸移动，每间隔2m左右测一组数据，获取河道断面表面流速及水位；利用走航式多普勒剖面流速仪沿河道断面测量断面流速、流量(用作验证) 及水深等基础数据；利用计算机软件，以横坐标为变量，对河道断面平均流速及河道断面地形进行多项式拟合，河道断面平均流速拟合平均误差不足0.02m/s，河道断面地形拟合平均误差不足0.11m；设置100段计算间段，每段间隔为0.5m，代入各段横坐标，计算相应面积及中心线流速，通过水力学天然河道流量计算方法，得到整个断面流量为60.90m³/s，实测河道断面流量为60.18m³/s，相对误差不足1.2％；为进一步验证本发明精度，将各段实测流量与计算流量进行对比分析，流量相差最大为0.16m³/s，相对误差不足10％，各段实测流量与计算流量进行对比见图3。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种河道流量非接触式测量及精确计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，河道断面地形多项式拟合：在河道断面按一定距离进行河岸表面地形和河道水下地形测量，获取测点坐标及相对高程数据，利用软件进行拟合，得到河道断面地形多项式；

第二步，河道断面平均流速多项式拟合：利用自动化控制装置，牵动雷达测速仪器，每间隔一定距离测量一次河道表面流速及对应水位，利用明渠表面流速与断面平均流速关系公式将表面流速换算成平均流速，以测点横坐标及平均流速作为基础数据，用软件进行拟合，得到河道断面平均流速多项式；

第三步，河道断面精细划分：利用密集垂线对拟合河道断面进行均匀划分，根据垂线横坐标，结合河道断面地形多项式，计算垂线河底相对高程，相邻两垂线形成近似直角梯形或直角三角形；

第四步，河道断面流量计算：根据相邻两垂线横坐标，结合河道断面平均流速多项式，计算相邻垂线中间线平均流速；将直角梯形或直角三角形面积乘以相应的平均流速，并进行累加，得到整个河道断面流量。

2.如权利要求1所述的河道流量非接触式测量及精确计算方法，其特征在于：所述的第一步包括以下步骤：

步骤1.1，河道水下地形测量：利用超声波测深仪或走航式多普勒剖面流速仪，从左岸至右岸，间隔一定距离对研究河道断面进行水下地形测量，考虑河道断面最大水深，确定研究断面纵向相对高程零坐标点；

步骤1.2，河岸表面地形测量：针对河岸表面地形，利用水准仪和测距仪，沿河道断面方向，以确定的相对高程零坐标点，向外测量两侧河岸相对高程和距离，至两岸固定立柱止，得到河岸表面地形，左岸固定立柱作为横向相对零坐标点；

步骤1.3，河道断面地形相对高程换算：以确定的相对高程零坐标点，换算河岸表面和河道水下地形相对高程，河岸表面和河道下地形共同组成河道断面地形，河道断面地形测量点位坐标及相对高程记录为(X_i,Y_i,Z_i)；

步骤1.4，河道断面地形多项式拟合：利用计算机软件，采用最小二乘法，对河道断面地形测量点横坐标及相对高程进行多项式拟合，得到河道断面地形多项式：

y(x)＝a_nxⁿ+a_n-1x^n-1+......a₁x+a₀

其中，y(x)为河道断面地形相对高程，m；x为河道断面横坐标，m；a_n……a₀为方程系数；n……1为指数系数；

拟合公式范围位于两岸固定立柱之间，采用确定系数对拟合得到的公式进行检验评价，确保多项式能完美刻画河道地形。

3.如权利要求2所述的河道流量非接触式测量及精确计算方法，其特征在于：所述的第二步包括以下步骤：

步骤2.1，河道断面表面流速测量：利用自动化控制装置，从左岸至右岸，牵动雷达测速仪器，每间隔一定距离测量一次河道表面流速及对应水位，并根据自动控制***绳索牵引距离，确定仪器当前横坐标，得到一组雷达探头横坐标、表面流速及水位数据(X_j，V_j，H_j)；

步骤2.2，河道断面水域边界确定：河道断面水面相对高程一致，根据测得的水位数据，刻画水位线，以水位突变处为节点，确定河道左、右岸水面边界横坐标(X_L，X_R)及水面水位H₀；

步骤2.3，河道表面流速数据转换成平均流速：根据明渠表面流速与断面平均流速关系公式，将探头测得的表面流速转换为垂线平均流速；

步骤2.4，河道平均流速多项式拟合：以雷达探头横坐标及垂线平均流速为基础数据，采用最小二乘法进行多项式拟合，得到河道平均流速多项式：

V(x)＝b_nxⁿ+b_n-1x^n-1+......b₁x+b₀。

其中，V(x)为河道平均流速，m/s；x为河道断面横坐标，m；b_n……b₀为方程系数；n……1为指数系数。

4.如权利要求3所述的河道流量非接触式测量及精确计算方法，其特征在于：所述的第三步包括以下步骤：

步骤3.1，河道断面垂线划分：利用密集垂线对拟合的河道断面水面区域进行均匀划分m段，垂线条数为m+1条，垂线间距为a＝(X_R-X_L)/m，各垂线横坐标则为X_m＝X_L+(m-1)a；

步骤3.2，垂线水深计算：相邻两垂线形成近似直角梯形或直角三角形，根据垂线横坐标，结合河道断面地形多项式，计算第m条垂线河底相对高程H_m，并换算成水深H_m＝H₀-H_m。

5.如权利要求4所述的河道流量非接触式测量及精确计算方法，其特征在于：所述的第四步包括以下步骤：

步骤4.1，垂线中心点坐标确定：根据相邻两垂线横坐标，确定每段的中心点横坐标为CX_m＝X_L+(m-1)a+0.5a；

步骤4.2，垂线间平均流速计算：将每段中心点横坐标代入河道断面平均流速多项式，得到每段平均流速V(x_m)＝b_nx_m ⁿ+b_n-1x_m ^n-1+......b₁x_m+b₀；

步骤4.3，垂线间直角梯形或直角三角形面积计算：河道断面水面区域均匀划分m段，第1段及第m段，概化为直角三角形，中间的m-2段概化为直角梯形，根据直角三角形及直角梯形面积计算公式，得到垂线间各段面积

S_m＝y(CX_m)a＝y(CX_m)(X_R-X_L)/m；

步骤4.4，整个河道断面流量计算：根据水力学天然河道流量计算原理，每段流量为平均流速乘以对应面积，将直角梯形或直角三角形面积乘以相应的平均流速，则整个河道断面流量为所有分段流量之和，各段流量进行累加后，得到整个河道断面流量

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