CN109253765A - 河流流量在线监测测量系统及流量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河流流量在线监测测量系统，该系统由流量计算系统、测流仪和安装平台组成；流量计算系统安装在监控室内并位于水面上方、用于控制测流仪工作，同时将测流仪测量的数据进行处理和计算，得出流量数据；所述的测流仪安装在安装平台上并位于河流的河道内、用于测量水流的流速流向；安装平台用于安装固定测流仪、且其底部位于河道内。本发明系统结构简单，利用声学多普勒测流仪可实时监测流速流向，具有测量数据准确、效率高、安装简单、不影响流场、不影响航道等优点。

Description

河流流量在线监测测量系统及流量计算方法

技术领域

本发明属于水文监测设备领域，具体涉及一种河流流量在线监测测量系统及流量计算方法。

背景技术

河流流量测量是水文工作者的重要任务之一。传统的河流流量测量方法包括人工船测、桥测、缆道测量和涉水测量等。其基本原理是在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线测量水深并用流速仪测量一至几个点的流速，从而得到垂线平均流速，进而得到断面面积和断面平均流速，流量则由断面面积和断面平均流速的乘积得到。这种传统方法费工费时，效率低。

发明内容

本发明的目的正是为了克服传统方法的不足，而提供的一种河流流量在线监测测量系统，通过采用声学多普勒测流仪实时测量断面流速流向，比传统方法测量效率提高几十倍，准确度大大提高；而且本发明的测量系统具有不影响流场、不影响航道、测速范围大、自动化程度高的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种河流流量在线监测测量系统，该系统由流量计算系统、测流仪和安装平台组成；流量计算系统安装在监控室内并位于水面上方、用于控制测流仪工作，同时将测流仪测量的数据进行处理和计算，得出流量数据；所述的测流仪安装在安装平台上并位于河流的河道内、用于测量水流的流速流向；安装平台用于安装固定测流仪、且其底部位于河道内。

作为优选，所述的测流仪为声学多普勒测流仪，它利用声学多普勒效应，它的换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生散射回波信号，该信号为声学多普勒测流仪所接收。由于悬浮物质随流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移。根据这一频移的大小和正负符号，即能计算出流速和流向。

作为优选，所述的安装平台采用固定桩式或桁架式或浮台式。

作为优选，所述的固定桩式安装平台包括一根底部固定于河道底部的固定桩，固定桩上靠近河道底部位置设置有测流仪，所述的测流仪通过电缆与监控室内的流量计算系统电连接；所述的固定桩的上端延伸出水面以上，且还固定有警示灯支架，警示灯支架上述设置有警示灯。警示灯在晚上可以闪烁，提醒过往船只注意避让。

作为优选，所述的桁架式安装平台包括下端位于水中的竖向测量杆，与测量杆垂直设置有一根与河道侧面的岩石基层固定连接的横杆，测量杆的上端垂直连接有一个钢桁架平台，钢桁架平台的另一端与河道侧面的混凝土基层内的支撑架连接；所述的测量杆上从下自上依次设置有三个测流仪。

作为优选，所述的浮台式安装平台包括能漂浮于水面之上的浮台本体，浮台本体的下端面连接有一根深入到水面直线的连接杆，所述的连接杆上从下至上依次设置有三个测流仪；浮台本体的两侧通过锚链与河道侧面的岩石基层连接。

作为优选，所述的固定桩式或桁架式安装平台的上端设置有手摇绞车，用于维修时提起测量仪；节省了人力。

作为优选，在河流断面较宽时，采用两个或多个测流仪进行全断面实时测量。流量计算系统根据实量流速流向数据，能及河流断面形状、水位数据，计算河流断面，通过微积分方式计算出流量。根据测流仪的声波频率不同，测量距离也不一至，比如600kHz的测流仪最大测量距离在40米左右。

一种河流流量在线监测测量系统的流量计算方法，包括如下步骤：

S1、以测流仪为原点，用测流仪测得原点处的水深为h，与丰水期最高水位h1比较，得到水位变化δh，得到断面任意处的水深H(x)-δh；其中H(x)为任意点的水位深度；

S2、对某一时刻距离原点X处的面积元d_S，得出d_S＝[H(x)-δh]·d_x，此时流速设为V(x,t)，得出流经d_S的流量为V(x,t)·d_S＝V(x,t)·[H(x)-δh]·d_x；其中，S为整个断面面积；

S3、通过水利计算模型对已知断面流速进行推算反演以获得修正后接近全断面的流速函数V'(x,t)；在任意时刻的水位线BD之间的整个断面对流经d_S的流量进行积分可得一段时间t内流经整个断面的流量L，得到

本发明的系统结构简单，利用声学多普勒测流仪可实时监测流速流向，具有测量数据准确、效率高、安装简单、不影响流场、不影响航道等优点。声学多普勒测流仪是近十多年来发展起来的新技术。该仪器的特点是能够直接测出断面的流速和流向，测量时不扰动流场，测验耗时少，测速范围大，诊断维修方便等。

附图说明

图1是本发明专利的安装示意图；

图2是流量计算示意图；

图3是两个测流仪时安装结构图；

图4是桁架式安装平台的结构图；

图5是浮台式安装平台的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

实施例一

系统组成：

如附图1所示：本发明的一种河流流量在线监测测量系统，该系统由流量计算系统1-1、测流仪1-5和安装平台组成。流量计算系统1-1安装在监控室内，并位于水面上方、用于控制测流仪工作；也可以是一个简易房子或者工作站，主要就是保护流量计算系统1-1不被人为破坏或者天气影响而导致不能工作。同时将测流仪测量的数据进行处理和计算，得出流量数据；测流仪安装在安装平台上并位于河流的河道内、用于测量水流的流速流向；安装平台用于安装固定测流仪、且其底部位于河道内；本发明所述的测流仪与所述的流量计算系统1-1通过电缆1-7实现电连接，从而将测量的数据及时传输到流量计算系统1-1进行计算。

本发明所述的测流仪为市售产品的声学多普勒测流仪，例如淘金者-SL型测流仪。它利用声学多普勒效应，它的换能器发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生散射回波信号，该信号为声学多普勒测流仪所接收。由于悬浮物质随流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移。根据这一频移的大小和正负符号，即能计算出流速和流向。

安装平台采用固定桩式或桁架式或浮台式。

如附图1所示：固定桩式安装平台包括一根底部固定于河道底部1-6的固定桩1-4，固定桩上靠近河道底部位置设置有测流仪1-5，测流仪1-5通过电缆1-7与监控室内的流量计算系统1-1电连接；固定桩1-4的上端延伸出水面以上，且还固定有警示灯支架1-3，警示灯支架1-3上设置有警示灯1-2。本发明的警示灯1-2设置的目的是警示灯在晚上为闪烁，提醒过往船只注意避让。

如附图1所示：桁架式安装平台包括下端位于水中的竖向测量杆2-1，与测量杆2-1垂直设置有一根与河道侧面的岩石基层2-2固定连接的横杆2-3，测量杆2-1的上端垂直连接有一个钢桁架平台2-4，钢桁架平台2-4的另一端与河道侧面的混凝土基层2-5内的支撑架2-6连接；测量杆2-1上从下自上依次设置有三个测流仪1-5。

如附图5所示：浮台式安装平台包括能漂浮于水面之上的浮台本体3-1，浮台本体3-1的下端面连接有一根深入到水面直线的连接杆3-2，连接杆3-2上从下至上依次设置有三个测流仪1-5；浮台本体3-1的两侧通过锚链3-3与河道侧面的岩石基层2-2连接。

如附图1所示，固定桩式或桁架式安装平台的上端设置有手摇绞车4-1，用于维修时提起测量仪；节省了人力。

如附图3所示：在河流断面较宽时，采用两岸正对安装的方式，即左岸测流仪和右岸测流仪同时测量，达到尽可能覆盖河流断面的目的，其他结构同附图1。采用两个或多个测流仪1-5分设于河道宽度方向的两侧，也可以对称设置，进行全断面实时测量。流量计算系统1-1根据实量流速流向数据、河流断面形状、水位数据，计算河流断面，通过微积分方式计算出流量。根据流测仪1-5的声波频率不同，测量距离也不一至，比如600kHz的测流仪最大测量距离在40米左右。在本发明中，可以是1-15米宽/一个测流仪。

本发明的系统结构简单，利用声学多普勒测流仪可实时监测流速流向，具有测量数据准确、效率高、安装简单、不影响流场、不影响航道等优点。

声学多普勒测流仪是近十多年来发展起来的新技术。该仪器的特点是能够直接测出断面的流速和流向，测量时不扰动流场，测验耗时少，测速范围大，诊断维修方便等。

实施例二

如附图2所示的流量计算示意图，流量计算：以测深仪为原点，由声学多普勒测流仪中的测深传感器或单独安装的测深仪测得原点处的水深h，并与丰水期最高水位h1时原点的水深比较，求得水位变化δh，即Δh。因此，断面任意处的水深为H(x)-δh；其中H(x)为任意点的水位深度。

由流量测量系统1-1中的测流仪1-5测得断面的流速函数，即V(x,t)；

考虑某一时刻距离原点X处的面积元d_S，则d_S＝[H(x)-δh]·d_x，并且此处流速为V(x,t)，则流经d_S的流量为V(x,t)·d_S＝V(x,t)·[H(x)-δh]·d_x；其中，S为整个断面面积。

在任意时刻的水位线BD之间的整个断面对流经d_S的流量进行积分可得一段时间t内流经整个断面的流量L，即为：

由于测流仪布放的限制，在全断面上的流速测量存在一定的盲区，无法获得全断面流速分布或获得全断面流速分布的代价较大(如测流仪背面，图2中水位线BD下的区域等)，需要通过水利计算模型对已知断面流速进行推算反演以获得修正后接近全断面的流速函数V'(x,t)。

则(1)式变为：

在实际的计算中，由于无法从测流仪获得V'(x)的解析函数，应根据ADCP给出的具体数据格式对(2)式运用数值计算方法进行求解。

根据断面的实际情况，流速的测量通过布置水平测流ADCP进行。此种测量方法不可避免的会存在测量的盲区，测量全断面的流速根据相应的规范或根据流体力学的数值模拟方式对测量盲区进行模型分析。

流量率定：

流量测量系统运行后，需采用走航式流量测量仪进行校验，流量测验依据《声学多普勒流量测验规范》进行。根据试验资料确定的相关关系或模型应进行校测，校测的样本数应不少于10次。当校测点明显偏离原率定相关关系时，应及时加密校测测次，以满足重新率定相关关系。校测结果宜用统计检验法进行检验。当原相关关系与校测样本有显著性差异时，应重新进行试验并率定相关关系。

上述系统的工作原理如下：

整个系统开始运行时：声学多普勒测流仪1-5是利用声学多普勒效应，发射出一定频率的脉冲，该脉冲碰到水体中的悬浮物质后产生散射回波信号，该信号为声学多普勒测流仪所接收。由于悬浮物质随流而漂移，使该回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差，即多普勒频移。根据这一频移的大小和正负符号，即能计算出流速和流向。本发明的计算系统、测流仪电源来自岸电，警示灯的电源为太阳能自主供电。

声学多普勒测流仪1-5采用了水平安装方式进行测量，在河流断面较宽时，采用两个或多个测流仪进行全断面实时测量。流量计算系统根据实量流速流向数据，能及河流断面形状、水位数据，计算河流断面，通过微积分方式计算出流量。

本发明专利整套系统应用于宁波大嵩江入海河口测量入海流量，安装在闸口上游，该处河流平均水深4米，宽90米。关闸时由于闸门密闭性不好有少量的入海流量，系统能准确检测到，开闸时流量数据变化明显。经过走航式流量测系统比对，差误在10％以内。

本系统为在线测量系统，实时在线测流，通过走航式流量测量系统对本系统进行修正。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本如果发明专利。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种河流流量在线监测测量系统，该系统由流量计算系统、测流仪和安装平台组成；流量计算系统安装在监控室内并位于水面上方、用于控制测流仪工作，同时将测流仪测量的数据进行处理和计算，得出流量数据；所述的测流仪安装在安装平台上并位于河流的河道内、用于测量水流的流速流向；安装平台用于安装固定测流仪、且其底部位于河道内。

2.根据权利要求1所述的河流流量在线监测测量系统，其特征在于：所述的测流仪为声学多普勒测流仪。

3.根据权利要求1所述的河流流量在线监测测量系统，其特征在于：所述的安装平台采用固定桩式或桁架式或浮台式。

4.根据权利要求3所述的河流流量在线监测测量系统，其特征在于：所述的固定桩式安装平台包括一根底部固定于河道底部的固定桩，固定桩上靠近河道底部位置设置有测流仪，所述的测流仪通过电缆与监控室内的流量计算系统电连接；所述的固定桩的上端延伸出水面以上，且还固定有警示灯支架，警示灯支架上述设置有警示灯。

5.根据权利要求3所述的河流流量在线监测测量系统，其特征在于：所述的桁架式安装平台包括下端位于水中的竖向测量杆，与测量杆垂直设置有一根与河道侧面的岩石基层固定连接的横杆，测量杆的上端垂直连接有一个钢桁架平台，钢桁架平台的另一端与河道侧面的混凝土基层内的支撑架连接；所述的测量杆上从下自上依次设置有三个测流仪。

6.根据权利要求3所述的河流流量在线监测测量系统，其特征在于：所述的浮台式安装平台包括能漂浮于水面之上的浮台本体，浮台本体的下端面连接有一根深入到水面直线的连接杆，所述的连接杆上从下至上依次设置有三个测流仪；浮台本体的两侧通过锚链与河道侧面的岩石基层连接。

7.根据权利要求3所述的河流流量在线监测测量系统，其特征在于：所述的固定桩式或桁架式安装平台的上端设置有手摇绞车，用于维修时提起测量仪。

8.一种根据权利要求1所述的河流流量在线监测测量系统的流量计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、以测深仪为原点，用测深仪测得原点处的水深为h，与丰水期最高水位h1比较，得到水位变化δh，得到断面任意处的水深H(x)-δh；其中H(x)为任意点的水位深度；

S2、对某一时刻距离原点X处的面积元d_S，得出d_S＝[H(x)-δh]·d_x，此时流速设为V(x,t)，得出流经d_S的流量为V(x,t)·d_S＝V(x,t)·[H(x)-δh]·d_x；其中，S为整个断面面积；

S3、通过水利计算模型对已知断面流速进行推算反演以获得修正后接近全断面的流速函数V'(x,t)；在任意时刻的水位线BD之间的整个断面对流经d_S的流量进行积分可得一段时间t内流经整个断面的流量L，得到