[發(fā)明專利]基于河流表面流速的河道斷面流量計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011381025.2
• 申請(qǐng)日: 2020-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN112560595B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳華;趙浩源;劉炳義;王俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G06V20/40
• 分類號(hào): G06V20/40;G06T7/62;G06F17/11
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 石超群

1.一種基于河流表面流速的河道斷面流量計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1，建立河道斷面的最大表面流速與斷面平均流速之間的線性關(guān)系得到對(duì)應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式；包括：

首先將河流斷面流速分布u＝u(y,z)由直角坐標(biāo)系y-z轉(zhuǎn)換為ξ-η等流速線坐標(biāo)系統(tǒng)使流速u與ξ呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即得到關(guān)系式一：

u＝u(ξ)(0≤u≤u_max,ξ₀≤ξ≤ξ_max)

其中，y代表河深方向，z代表河床方向，ξ代表等流速線，η代表與ξ正交的曲線；

進(jìn)一步，假設(shè)u與ξ為隨機(jī)變量，并且其概率密度函數(shù)分別為p(u)和q(ξ)，同時(shí)ξ在ξ₀和ξ_max之間呈均勻分布，即得到關(guān)系式二：

則流速小于或等于u的概率，即u的分布函數(shù)P(u)為關(guān)系式三：

因此，u的概率密度函數(shù)p(u)為關(guān)系式四：

同時(shí)，根據(jù)熵最大原理，p(u)應(yīng)使熵函數(shù)H(u)最大，同時(shí)也應(yīng)滿足概率密度函數(shù)的性質(zhì)，即滿足關(guān)系式五：

s.t.

其中，代表斷面平均流速；

進(jìn)一步采用拉格朗日乘數(shù)法解上述條件極值問題，即解關(guān)系式六：

其中，λ₁,λ₂代表拉格朗日乘子，

解該偏微分方程，得到關(guān)系式七：

結(jié)合所述關(guān)系式七與所述關(guān)系式五可得關(guān)系式八：

和關(guān)系式九：

結(jié)合所述關(guān)系式四和所述關(guān)系式七，且由邊界條件可得流速u沿ξ的分布公式為關(guān)系式十：

同時(shí)，結(jié)合所述關(guān)系式八和所述關(guān)系式十，且令M＝λ₂u_max，有關(guān)系式十一：

進(jìn)一步，對(duì)關(guān)系式九進(jìn)行處理即得到河道斷面的最大表面流速與斷面平均流速之間的線性關(guān)系為關(guān)系式十二：

其中，Φ近似常數(shù)，即斷面最大表面流速與斷面平均流速之間呈線性關(guān)系；

步驟S2，對(duì)拍攝得到河流視頻圖像利用時(shí)空影像測(cè)量法獲取河道斷面的最大表面流速；包括：

步驟S21，將相機(jī)架設(shè)于河岸任意一側(cè)，采集河流的水流視頻信息；由實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)Z和斷面地形數(shù)據(jù)確定左右兩岸的起點(diǎn)距a與b，則實(shí)際河寬l＝b-a；進(jìn)一步，截取水流視頻的任意一幀圖像進(jìn)行正射投影變換，在經(jīng)過投影變換的圖像中，通過計(jì)算機(jī)量取河寬的像素距離d，并計(jì)算像素分辨率R＝l/d；

步驟S22，進(jìn)行最大表面流速的粗略搜索，從河流的左岸至右岸，以10米為間距等距離設(shè)置若干測(cè)速線；根據(jù)時(shí)空影像測(cè)量法依次計(jì)算上述每條測(cè)速線上的表面流速，將表面流速最大的測(cè)速線的起點(diǎn)距記為k；

步驟S23，進(jìn)行表面流速的精確搜索，在k-5米至k+5米的范圍內(nèi)，以2米為間距等距離設(shè)置若干條測(cè)速線；根據(jù)時(shí)空影像測(cè)量法依次計(jì)算上述每條測(cè)速線上的表面流速，將計(jì)算得到的最大值作為最大表面流速，記為u_max；

步驟S3，根據(jù)河道斷面的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過一元線性回歸確定斷面最大表面流速與斷面平均流速的關(guān)系系數(shù)，并得到斷面平均流速；在該步驟中，根據(jù)斷面最大表面流速與斷面平均流速的關(guān)系系數(shù)Φ以及所述步驟S2中得到的最大表面流速u_max得到斷面平均流速

步驟S4，設(shè)置若干條測(cè)深垂線沿河道斷面從左至右均勻分布將斷面劃分為若干個(gè)區(qū)域，從而得到斷面面積；并根據(jù)該斷面面積與所述步驟S3得到的表面流速計(jì)算得到河道斷面流量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于河流表面流速的河道斷面流量計(jì)算方法，其特征在于：

所述步驟S4包括：

選取n條測(cè)深垂線，沿河道斷面從左至右均勻分布，將斷面劃分為n+1個(gè)區(qū)域，由所述步驟S1中得到的l，按照l(shuí)/n+1計(jì)算各條垂線之間的間距w；由實(shí)時(shí)水位z以及各條測(cè)速垂線的河底高程z_i(i＝1，2，…，n)，計(jì)算各條垂線的水深h_i，h_i＝z-z_i；第1個(gè)和第n+1個(gè)區(qū)域概化為三角形來(lái)計(jì)算過水面積S_j(j＝1，2，…，n+1)，其余區(qū)域則概化為梯形，即：

總斷面過水面積S為：

最后，所述斷面流量