CN113155107A - 一种不规则河道断面流量测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种不规则河道断面流量测量装置及方法,包括计算机、信号接收器、左支架和右支架，左支架和右支架分别设置在河道左右两侧，左支架和右支架之间设有一根缆绳，缆绳与河水流向垂直，缆绳上固定设有用于固定安装声波测深仪的旋转连接座或者滑动设有用于固定连接声波测深仪及雷达测速仪的动滑轮组件，声波测深仪和雷达测速仪通过无线通讯的方式与信号接收器传输信号，信号接收器与计算机通讯连接。本发明原理科学，操作方便，采用旋转连接座配合声波测深仪，可以更好的了解河道断面小规模的凹凸情况，并随着角度和距离正确模拟出河道断面，测试数据更加精确。

Description

一种不规则河道断面流量测量装置及方法
技术领域
本发明属于水文及地质相关技术领域，具体涉及一种不规则河道断面流量测量装置及方法。
背景技术
目前，对于北方的大洪水流量测验手段仍主要靠浮标法。由于北方河流比降大，流速高，特别是一些流域植被差的中小河流，产汇流时间短，暴雨洪水过程陡涨陡落，峰顶持续时间短，水流对铅鱼、流速仪的冲击力大，所以对一些特殊环境下的断面流量测量就显得特别重要。
流量资料具有极为重要的作用，涉及防洪安全、水文水利计算、水资源评价等各个方面，因此河流流量测量是水文工作的重要内容。每年需要耗费大量的人力物力去完成测验任务。为了减轻流量测验工作量，长期以来，水文工作者都在寻找减少流量测验次数的方法。
现有技术中已经存在部分关于过水断面流量的研究。例如申请号为201810948626.3一种非接触式雷达测流的河道断面流量计，在雷达探头测点所在的河道横断面上，按一定的距离间隔进行断面测量，基于实测断面数据，进行断面多项式曲线拟合，并根据探头位置、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，然后，基于水力学天然河道流量计算原理，选择一定数量的垂线对河道断面进行均匀划分，依次计算各条垂线水深及对应的垂线上平均流速，再在每个垂线间隔中点处作虚垂线，数条垂虚线与断面拟合曲线以及河道水位线构成数个不规则的多边形，依次计算每个多边形的面积，最后，采用面积加权法，计算河道大断面流量。
但是，该方案存在较多的缺陷，具体包括：雷达流量计所测的为表面流速，并非真实流速，真实流速和表面流速之间存在一个水面流速系数，需要对表面流速进行流速矫正，用矫正后的流速采用流速面积法，计算河道大断面流量，可以是实验结果更加精确。
非接触式雷达测流的河道断面流量计，按一定的距离间隔进行断面测量，记录高程坐标，并绘制河流横断面实测图，对于小部分的河道断面凹凸情况无法正确模拟出来且测量次数过多。
因此，有必要设计一种具有相对简单且精确度较高的装置及方法，来实现对不规则断面流量的测量。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种原理科学、操作方便、测试结果精确度高的不规则河道断面流量测量装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种不规则河道断面流量测量装置, 包括计算机、信号接收器、左支架和右支架，左支架和右支架分别设置在河道左右两侧，左支架和右支架之间设有一根缆绳，缆绳与河水流向垂直，缆绳上固定设有用于固定安装声波测深仪的旋转连接座或者滑动设有用于固定连接声波测深仪及雷达测速仪的动滑轮组件，声波测深仪和雷达测速仪通过无线通讯的方式与信号接收器传输信号，信号接收器与计算机通讯连接。
旋转连接座包括固定板和活动板，固定板左侧开设有两个上下对应的左连接孔，固定板右侧开设有两个上下对应的右连接孔，两个左连接孔通过一组U型螺栓及螺母与缆绳固定连接，两个右连接孔通过另一组U型螺栓及螺母与缆绳固定连接，固定板背离缆绳的一侧面中部固定设有轴承座，轴承座内安装有轴承，轴承外圆与轴承座内圆过盈配合，轴承内圆过盈装配有转轴，转轴外端与活动板的一侧面固定连接，轴承外圈的端面上沿圆周方向设有360°的角度刻度，转轴外圆设有用于指向角度刻度的指针，活动板上开设有多个安装孔，声波测深仪通过穿过安装孔的螺丝固定连接在活动板上。
一种不规则河道断面流量测量装置的测量方法，包括以下步骤：
（1）选定一条河道，在河道左右两侧分别架设左支架和右支架，在左支架和右支架之间搭设一条张紧的缆绳，先将两组U型螺栓及螺母将旋转连接座的固定板连接到缆绳长度方向的中间位置，然后将声波测深仪通过螺丝固定到旋转连接座的活动板上，在河道的堤岸上利用GPS定位装置和全站仪，记录声波测深仪探头的三维坐标；
（2）向将声波测深仪的探头朝向河道的左岸，旋转活动板，活动板带动声波测深仪的探头转动，自左岸每次旋转10°或者更小直至旋转180°到右岸；通过指针对应指向角度刻度的位置记录每次旋转角度，声波测深仪将探测到河道断面底部边界的距离的数值信号，输送到计算机中，计算机生成河道断面曲线并将河道曲面形状拟合成数学表达式；
（3）将所得河道断面曲线形状制作出比例缩小的河流曲线模型，比例系数为 t，结合设计的湿周测量装置，即可算出湿周长度；
（4）将旋转连接座从缆绳上拆除，连接在旋转连接座上的声波测深仪也拆除，然后将动滑轮组件吊挂到缆绳上，将声波测深仪安装在动滑轮组件上，人为驾船于缆绳下，移动动滑轮组件，使声波测深仪沿在缆绳移动，将缆绳由河道左侧到右侧的长度均匀分为30-40个点并标记，将动滑轮组件自左向右依次移动到每个点，声波测深仪测出该点处到河道底部的距离，即实测河道在该点处断面深度；
（5）取下声波测深仪，在动滑轮组件上装上雷达测速仪，雷达测速仪距离水面要大于0.5m，按照步骤（4）中标记在缆绳上的30-40个点，将动滑轮组件移动到标记点的位置，雷达测速仪依次测出每个点正投影在河面上的位置的表面流速V表；
（6）计算出断面水面流速系数R；
（7）结合河道断面曲线和各点到河道底部的垂线的间隔位置可将该河道断面划分为多个小断面，依次选取小断面，以左侧第一个小断面的起始点为坐标原点，在该小断面曲线上选择合适数量的坐标，依次记录（X1，Y1),(X2，Y2）等等，利用坐标值计算多边形面积的公式
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
（8）依据水力学天然河道流量计算原理，采用流速面积加权法，将各个多边形面积S 任意 与测出的表面流速V表以及断面流速系数R相乘再分别相加，则可完成河道断面流量Q的计算，计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；其中m为划分多边形的数量。
步骤（3）具体为：湿周测量装置采用若干根针，所用针长40mm，直径0.3mm，将这种规格的针等间隔排列，相邻两根针的间距d为0.1mm，将河流曲线模型按压在等间隔排列的针尖上，其中第一个针的针尖触碰到河流曲线模型的位置不变，设置为参照，为原点位置，针尖会反映该曲面的形状，由于针尖的间距d较小，所以河流曲面的长度L近似等于针相对于原点的参照针的长度h，将各个针的相对长度h累加，得到的和就是缩小模型的河流曲线湿周长度，再乘以比例系数t，即为河道真实的湿周长度。
步骤（6）的具体计算过程为：取下雷达测速仪，在动滑轮组件上装上精度较高的单点式流速计，根据不同标记点处垂线的水深大小，选择不同精测流速测点的数目，结合垂线上平均流速的计算公式，算出垂线上的平均流速，以起始测点为原点，表面流速为横坐标，平均流速为纵坐标，做图，利用图像拟合，可求出图像的斜率，即为断面水面流速系数R。
垂线上平均流速校核的点数选择：
1）水深小于1.5m时，可采用0.6或0.5相对水深一点法；
2）水深大于或等于1.5m小于3.0m时可采用0.2,0.8相对水深二点法；
3）水深大于或等于3.0m，小于5.0m时，可采用三点法；
4）水深大于或等于5.0m时，采用六点法；
垂线上平均流速计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
采用上述技术方案，本发明提供了一种不规则河道断面流量测量装置和测量方法，在河流横断面上，放置一个带有角度测量的旋转连接座，在旋转连接座上安装的声波测深仪，基于该声波测深仪到实测断面界面的距离和角度测量，结合声波测深仪器本身坐标的测量，绘制出该河道断面示意图。根据河道断面曲线的坐标，结合坐标值计算多边形面积的公式，可算出任意河道断面的面积。将所得河流曲线形状制作出比例缩小的河流曲线模型，结合设计的湿周测量装置与模型缩小的比例系数，即可算出湿周长度。在河道横断面上按一定的距离间隔借助雷达流速计和声波测深仪进行断面流速测量和深度测量，测出的数据分别为河流断面的表面流速和某一垂线上的深度，通过单点式流速计测出的平均流速和雷达流速计测出的表面流速作图，得出表面流速系数进行流速矫正，用矫正后的流速采用流速面积法，计算河道大断面流量。
综上所述，本发明的有益效果是：
（1）真实流速和表面流速之间存在一个水面流速系数，需要对表面流速进行流速矫正，用矫正后的流速采用流速面积法，计算河道大断面流量，可以是实验结果更加精确。
（2）本次设计利用微分原理设计出湿周测量装置，使得湿周测量结果更加的精确。
（3）采用旋转连接座配合声波测深仪，可以更好的了解河道断面小规模的凹凸情况，并随着角度和距离正确模拟出河道断面；
（4）采用的旋转连接座，方便安装声波测深仪，并且也方便连接缆绳，声波测速仪旋转角度可以通过旋转转轴内圈的转轴，通过指针指向角度刻度来确定，从而提高了测量的精度。
附图说明
图1是本发明在缆绳上设置声波测深仪的示意图；
图2是本发明在缆绳上设置雷达测速仪的示意图；
图3是图1中旋转连接座的放大图；
图4是连接固定板与缆绳的U型螺栓的示意图；
图5是连接声波测深仪和活动板的螺丝的示意图；
图6是湿周测量装置的工作原理图。
具体实施方式
如图1-6所示，本发明的一种不规则河道断面流量测量装置, 包括计算机1、信号接收器2、左支架3和右支架4，左支架3和右支架4分别设置在河道5左右两侧，左支架3和右支架4之间设有一根缆绳6，缆绳6与河水流向垂直，缆绳6上固定设有用于固定安装声波测深仪7的旋转连接座或者滑动设有用于固定连接声波测深仪7及雷达测速仪8的动滑轮组件9，声波测深仪7和雷达测速仪8通过无线通讯的方式与信号接收器2传输信号，信号接收器2与计算机1通讯连接。
旋转连接座包括固定板10和活动板11，固定板10左侧开设有两个上下对应的左连接孔12，固定板10右侧开设有两个上下对应的右连接孔13，两个左连接孔12通过一组U型螺栓14及螺母与缆绳6固定连接，两个右连接孔13通过另一组U型螺栓14及螺母与缆绳6固定连接，固定板10背离缆绳6的一侧面中部固定设有轴承座15，轴承座15内安装有轴承16，轴承16外圆与轴承座15内圆过盈配合，轴承16内圆过盈装配有转轴17，转轴17外端与活动板11的一侧面固定连接，轴承16外圈的端面上沿圆周方向设有360°的角度刻度，转轴17外圆设有用于指向角度刻度的指针18，活动板11上开设有多个安装孔19，声波测深仪7通过穿过安装孔19的螺丝20固定连接在活动板11上。
动滑轮组件9为现有常规结构，不再赘述。声波测深仪7及雷达测速仪8安装在动滑轮组件9上也采用螺栓固定的方式即可。
一种不规则河道5断面流量测量装置的测量方法，包括以下步骤：
（1）选定一条河道5，在河道5左右两侧分别架设左支架3和右支架4，在左支架3和右支架4之间搭设一条张紧的缆绳6，先将两组U型螺栓14及螺母将旋转连接座的固定板10连接到缆绳6长度方向的中间位置，然后将声波测深仪7通过螺丝20固定到旋转连接座的活动板11上，在河道5的堤岸上利用GPS定位装置和全站仪，记录声波测深仪7探头的三维坐标；
（2）向将声波测深仪7的探头朝向河道5的左岸，旋转活动板11，活动板11带动声波测深仪7的探头转动，自左岸每次旋转10°或者更小直至旋转180°到右岸；通过指针18对应指向角度刻度的位置记录每次旋转角度，声波测深仪7将探测到河道5断面底部边界的距离的数值信号，输送到计算机1中，计算机1生成河道5断面曲线并将河道5曲面形状拟合成数学表达式；
（3）将所得河道5断面曲线形状制作出比例缩小的河流曲线模型，比例系数为 t，结合设计的湿周测量装置，即可算出湿周长度；
（4）将旋转连接座从缆绳6上拆除，连接在旋转连接座上的声波测深仪7也拆除，然后将动滑轮组件9吊挂到缆绳6上，将声波测深仪7安装在动滑轮组件9上，人为驾船于缆绳6下，移动动滑轮组件9，使声波测深仪7沿在缆绳6移动，将缆绳6由河道5左侧到右侧的长度均匀分为30-40个点并标记，将动滑轮组件9自左向右依次移动到每个点，声波测深仪7测出该点处到河道5底部的距离，即实测河道5在该点处断面深度；
（5）取下声波测深仪7，在动滑轮组件9上装上雷达测速仪8，雷达测速仪8距离水面要大于0.5m，按照步骤（4）中标记在缆绳6上的30-40个点，将动滑轮组件9移动到标记点的位置，雷达测速仪8依次测出每个点正投影在河面上的位置的表面流速V表；
（6）计算出断面水面流速系数R；
（7）结合河道5断面曲线和各点到河道5底部的垂线的间隔位置可将该河道5断面划分为多个小断面，依次选取小断面，以左侧第一个小断面的起始点为坐标原点，在该小断面曲线上选择合适数量的坐标，依次记录（X1，Y1),(X2，Y2）等等，利用坐标值计算多边形面积的公式
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
（8）依据水力学天然河道5流量计算原理，采用流速面积加权法，将各个多边形面积S 任意 与测出的表面流速V表以及断面流速系数R相乘再分别相加，则可完成河道5断面流量Q的计算，计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；其中m为划分多边形的数量。
步骤（3）具体为：湿周测量装置采用若干根针，所用针长40mm，直径0.3mm，将这种规格的针等间隔排列，相邻两根针的间距d为0.1mm，将河流曲线模型按压在等间隔排列的针尖上，其中第一个针的针尖触碰到河流曲线模型的位置不变，设置为参照，为原点位置，针尖会反映该曲面的形状，由于针尖的间距d较小，所以河流曲面的长度L近似等于针相对于原点的参照针的长度h，将各个针的相对长度h累加，得到的和就是缩小模型的河流曲线湿周长度，再乘以比例系数t，即为河道5真实的湿周长度。
步骤（6）的具体计算过程为：取下雷达测速仪8，在动滑轮组件9上装上精度较高的单点式流速计，根据不同标记点处垂线的水深大小，选择不同精测流速测点的数目，结合垂线上平均流速的计算公式，算出垂线上的平均流速，以起始测点为原点，表面流速为横坐标，平均流速为纵坐标，做图，利用图像拟合，可求出图像的斜率，即为断面水面流速系数R。
垂线上平均流速校核的点数选择：
1）水深小于1.5m时，可采用0.6或0.5相对水深一点法；
2）水深大于或等于1.5m小于3.0m时可采用0.2,0.8相对水深二点法；
3）水深大于或等于3.0m，小于5.0m时，可采用三点法；
4）水深大于或等于5.0m时，采用六点法；
垂线上平均流速计算公式：
Figure 483665DEST_PATH_IMAGE006
。
以上实施例说明了本发明的基本修整原理和特点，但上述仅仅说明了本发明的较优实施例，并不受所述实施例的限制。本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式变形和改进，这些均属于本发明的保护范围之内。因此，本发明专利和保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种不规则河道断面流量测量装置,其特征在于：包括计算机、信号接收器、左支架和右支架，左支架和右支架分别设置在河道左右两侧，左支架和右支架之间设有一根缆绳，缆绳与河水流向垂直，缆绳上固定设有用于固定安装声波测深仪的旋转连接座或者滑动设有用于固定连接声波测深仪及雷达测速仪的动滑轮组件，声波测深仪和雷达测速仪通过无线通讯的方式与信号接收器传输信号，信号接收器与计算机通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种不规则河道断面流量测量装置，其特征在于：旋转连接座包括固定板和活动板，固定板左侧开设有两个上下对应的左连接孔，固定板右侧开设有两个上下对应的右连接孔，两个左连接孔通过一组U型螺栓及螺母与缆绳固定连接，两个右连接孔通过另一组U型螺栓及螺母与缆绳固定连接，固定板背离缆绳的一侧面中部固定设有轴承座，轴承座内安装有轴承，轴承外圆与轴承座内圆过盈配合，轴承内圆过盈装配有转轴，转轴外端与活动板的一侧面固定连接，轴承外圈的端面上沿圆周方向设有360°的角度刻度，转轴外圆设有用于指向角度刻度的指针，活动板上开设有多个安装孔，声波测深仪通过穿过安装孔的螺丝固定连接在活动板上。
3.采用如权利要求2所述的一种不规则河道断面流量测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）选定一条河道，在河道左右两侧分别架设左支架和右支架，在左支架和右支架之间搭设一条张紧的缆绳，先将两组U型螺栓及螺母将旋转连接座的固定板连接到缆绳长度方向的中间位置，然后将声波测深仪通过螺丝固定到旋转连接座的活动板上，在河道的堤岸上利用GPS定位装置和全站仪，记录声波测深仪探头的三维坐标；
（2）向将声波测深仪的探头朝向河道的左岸，旋转活动板，活动板带动声波测深仪的探头转动，自左岸每次旋转10°或者更小直至旋转180°到右岸；通过指针对应指向角度刻度的位置记录每次旋转角度，声波测深仪将探测到河道断面底部边界的距离的数值信号，输送到计算机中，计算机生成河道断面曲线并将河道曲面形状拟合成数学表达式；
（3）将所得河道断面曲线形状制作出比例缩小的河流曲线模型，比例系数为 t，结合设计的湿周测量装置，即可算出湿周长度；
（4）将旋转连接座从缆绳上拆除，连接在旋转连接座上的声波测深仪也拆除，然后将动滑轮组件吊挂到缆绳上，将声波测深仪安装在动滑轮组件上，人为驾船于缆绳下，移动动滑轮组件，使声波测深仪沿在缆绳移动，将缆绳由河道左侧到右侧的长度均匀分为30-40个点并标记，将动滑轮组件自左向右依次移动到每个点，声波测深仪测出该点处到河道底部的距离，即实测河道在该点处断面深度；
（5）取下声波测深仪，在动滑轮组件上装上雷达测速仪，雷达测速仪距离水面要大于0.5m，按照步骤（4）中标记在缆绳上的30-40个点，将动滑轮组件移动到标记点的位置，雷达测速仪依次测出每个点正投影在河面上的位置的表面流速V表；
（6）计算出断面水面流速系数R；
（7）结合河道断面曲线和各点到河道底部的垂线的间隔位置可将该河道断面划分为多个小断面，依次选取小断面，以左侧第一个小断面的起始点为坐标原点，在该小断面曲线上选择合适数量的坐标，依次记录（X1，Y1),(X2，Y2）等等，利用坐标值计算多边形面积的公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
（8）依据水力学天然河道流量计算原理，采用流速面积加权法，将各个多边形面积S 任意 与测出的表面流速V表以及断面流速系数R相乘再分别相加，则可完成河道断面流量Q的计算，计算公式为
Figure 737988DEST_PATH_IMAGE002
；其中m为划分多边形的数量。
4.根据权利要求3所述的一种不规则河道断面流量测量装置及方法，其特征在于：步骤（3）具体为：湿周测量装置采用若干根针，所用针长40mm，直径0.3mm，将这种规格的针等间隔排列，相邻两根针的间距d为0.1mm，将河流曲线模型按压在等间隔排列的针尖上，其中第一个针的针尖触碰到河流曲线模型的位置不变，设置为参照，为原点位置，针尖会反映该曲面的形状，由于针尖的间距d较小，所以河流曲面的长度L近似等于针相对于原点的参照针的长度h，将各个针的相对长度h累加，得到的和就是缩小模型的河流曲线湿周长度，再乘以比例系数t，即为河道真实的湿周长度。
5.根据权利要求3或4所述的一种不规则河道断面流量测量装置及方法，其特征在于：步骤（6）的具体计算过程为：取下雷达测速仪，在动滑轮组件上装上精度较高的单点式流速计，根据不同标记点处垂线的水深大小，选择不同精测流速测点的数目，结合垂线上平均流速的计算公式，算出垂线上的平均流速，以起始测点为原点，表面流速为横坐标，平均流速为纵坐标，做图，利用图像拟合，可求出图像的斜率，即为断面水面流速系数R。
6.根据权利要求5所述的一种不规则河道断面流量测量装置及方法，其特征在于：垂线上平均流速校核的点数选择：
1）水深小于1.5m时，可采用0.6或0.5相对水深一点法；
2）水深大于或等于1.5m小于3.0m时可采用0.2,0.8相对水深二点法；
3）水深大于或等于3.0m，小于5.0m时，可采用三点法；
4）水深大于或等于5.0m时，采用六点法；
垂线上平均流速计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
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