[發明專利]一種河道流量非接觸式測量及精確計算方法

有效

• 申請號: 202110356944.2
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN113124941B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 羅平安;趙科鋒;湯顯強;曹慧群;唐見;靖爭;翟文亮;羅慧萍;李曉萌;張玉鵬
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會長江科學院
• 主分類號: G01F1/002
• 分類號: G01F1/002;G01P5/00;G01S13/58;G01F23/284
• 代理公司: 武漢楚天專利事務所 42113
• 代理人: 孔敏

本發明提供一種河道流量非接觸式測量及精確計算方法，包括：在河道橫斷面上按一定距離測量斷面，獲取斷面高程數據(或相對高程數據)，根據斷面實測數據，進行多項式擬合，獲取河道斷面形態；通過自動控制裝置定距牽動測速雷達，獲得斷面不同位置河道表面流速及水位(或相對水位)；基于不同位置實測表面流速，利用明渠表面流速與斷面平均流速關系公式計算相應位置平均流速，并進行多項式擬合，獲取河道斷面平均流速分布公式；根據水力學天然河道流量計算原理，通過垂線將河道橫斷面均勻劃分為若干多邊形，依次計算多邊形面積，利用河道斷面平均流速分布公式，計算各多邊形對應垂線中心點平均流速，進而計算多邊形對應的流量，最后通過累加計算整個河道斷面流量。本發明對復雜水情下實時在線測量河道流量具有重要的實用價值。

技術領域

本發明涉及水文測量技術領域，具體是一種河道流量非接觸式測量及精確計算方法。

背景技術

河道流量是河流水文計算、水資源評價、水生態環境評價的重要基礎數據，河道流量測驗計算也是水文工作的重要內容，每年投入了大量人力物力。目前，我國河流、渠道流量測定以接觸式測流技術為主，最為常用的方法為轉子式流速儀法、超聲波時差法和多普勒ADCP法。轉子式流速儀法需要人工操作，勞動強度大，且存在機械慣性，響應速度慢，無法測量快速變化的湍流，并且轉子式流速儀需要定期檢定和維護，流量較大時無法入水測量；超聲波時差法使用的儀器對水質要求較高，儀器須在清水中工作，在渾濁水體或在狹窄渠道(渠寬小于 3倍水深)測量時精度較差；多普勒ADCP法必須進行船載測量，需要人工操作，在泥沙或雜質含量較高的水體測量時準確度較差，對于寬度較小的渠道無法進行測量，遇到水情復雜的河段或汛期，測量作業危險性高。傳統的接觸式測流技術，信息化程度不高、自動化程度較低，無法滿足實時在線長時間監測的需要。為此，亟需尋找一種實時在線、全自動、精度高、人力物力成本低的測流方法。

河道流量非接觸式測量方法的提出，很好的解決了傳統接觸式河道測流存在的問題。在中小河流河道測流中，雷達測流技術由其較高的自動化、精確性、實時在線監測等特點，受到越來越多的關注。公開號為CN109060056A的專利公布了一種非接觸式雷達測流的河道斷面流量計算方法，該專利基于實測斷面數據，擬合斷面多項式，根據固定雷達探頭位置、實測水位、表面流速及河床糙率，結合水力學曼寧公式，計算河道斷面水面比降，利用計算結果反算河道斷面各垂線段間流速，最后通過面積加權法，計算河道大斷面流量。公開號為CN 103792533B的專利公布了一種基于固定點的河道斷面多點測流方法，該專利基于河道上方固定安裝的一個雷達測流儀，測得測流儀所在海拔高度、距待測河道斷面垂直距離、各測點距河道斷面距離，通過調整雷達測流儀水平朝向、垂直傾角，從而實現測流。公開號為CN 206515468U的專利公布了一種超聲波雷達測流系統，該系統雷達支架設于所監測水體上方，多個雷達探頭固定在雷達支架上，通過無線傳輸模塊與雷達站房采集控制器連接，實現非接觸式在線測量。公開號為CN 206459711U的專利公布了一種無人機雷達測流系統，該系統由可懸停無人機、無線遙控雷達測流儀、遙控設備、定位裝置、數據遠傳、數據處理及輔助設備組成，通過人工遙控無人機到指定測流位置進行測量，該專利無需架設測驗纜道，可實現非接觸測流。

相比接觸式測流技術，非接觸式雷達測流技術能在野外惡劣環境下，實現人工無法完成的測量工作。現有的河道斷面測流計算方法，大多基于統計學分析方法，采用相關系數較高的某條垂線代表的流速，計算整個河道斷面流量，這種方法存在“以偏概全”的缺點；現有的河道斷面非接觸測流方法，通過調整固定測流儀角度、無人機攜帶測流儀或同時架設多個測流設備，實現斷面測流，測流及計算方法還有完善的空間，精度有待進一步提高，自動化程度還須進一步改進。

發明內容

本發明的目的在于提供一種河道流量非接觸式測量及精確計算方法，通過非接觸式雷達測量多組河道表面流速及水位數據，利用軟件擬合獲得河道斷面形狀及平均流速多項式，然后分段細化河道斷面，再結合水力學天然河道流量計算原理，解決精確計算河道斷面流量的問題。

本發明采用的技術方案如下：