CN110297104A - 一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，该在线测量方法包括如下步骤：1)布置代表垂线压力传感器；2)观测压力传感器表面水流流速；3)计算垂线平均流速。与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：1)该方法不受河流的水流及河道冲淤变化影响，能使测速垂线定位更准确、稳定，提高测速代表垂线的精度；2)该方法能有效减少河底和水面的流速测量盲区，避免因水中物质与水流运动不同速度导致的流速测量失真问题，提高河流流量测量的精度。

Description

一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法

技术领域

本发明公开了一种河流流量实时在线测量方法，具体是一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，属于水文测验应用技术领域。

背景技术

现有技术中，一般而言，河流流量实时在线测量采用代表线、点的方法，其代表线、点的选择通常由常规流量监测的代表线、点流速与断面平均流速经相关分析确定。

代表线法是目前流量实时在线测量的最主要方法。代表线法包括超声时差、H-ADCP、座底ADCP和浮标ADCP方法。其中，超声时差法、H-ADCP采用的是水平代表线，因河流宽浅不一且形状复杂，可能导致不能覆盖全断面，难以寻找较好的代表线；另外，座底ADCP、浮标ADCP采用的垂直代表线，虽能较真实反应垂线的流速分布，但底座ADCP受河流泥沙冲淤变化的影响，维护较为困难；浮标ADCP维护简单，但垂线较难固定，其代表性难以保持。同时，超声时差、H-ADCP、座底ADCP、浮标ADCP等属声学方法，测定的是水中物质的运动速度，由于水中物质特别是河底物质与水流速度并不同步，故采用ADCP开展实时在线测流有可能导致部分点据失真。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，能全面覆盖代表垂线的各点，减少水面和底部测量盲区，且不受河流物质运动影响，从而确保代表垂线流速测量精度，该方法是提高河流流量在线监测精度的途径之一。

本发明提供如下技术方案：一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，该在线测量方法包括如下步骤：

1)布置代表垂线压力传感器；

2)观测压力传感器表面水流流速；

3)计算垂线平均流速。

优选的，所述步骤1)中，依据代表垂线处建立的水文观测平台，在平行于水流流线一测，从最高水位至河底按一定间距布置多个压力传感器，并确保压力传感器固定牢固。

优选的，所述步骤2)中，依据流体力学伯努利方程的原理，由各压力传感器观测动水水位Z_i，结合垂线处静水水位观测Z₀，计算各个压力传感器的动静水水位差△H_i＝Z₀-Z_i，由各压力传感器的动静水水位差计算压力传感器表面水流流速

式中：Z_i各压力传感器观测的动水水位，Z₀为测量的垂线静水水位，g为重力加速度。

优选的，所述步骤3)中，依据各压力传感器观测的表面水流流速V_i构成的垂线流速分布，按公式计算垂线平均流速；

式中：为垂线平均流速；H为垂线处测量时水深，即测量时静水水位与河底高程之差；△h_i为第i个传感器与第i-1个传感器的安装间距。

优选的，所述河流是天然河流、渠道、湖泊或水库任一水体。

优选的，所述代表垂线是指与测量断面平均流速相关的测速垂线。

优选的，所述压力传感器包括但不限于压阻式传感器和气泡式传感器，其中，压阻式传感器表面为进水孔表面，气泡式传感器表面为气室与水体交界面。

优选的，所述水文观测平台指刻有水尺刻度的垂直杆式建筑物。

优选的，所述静水水位观测指满足国家《水位观测标准》，且经率定验证的水位观测方法，包括但不限于水尺或电子水尺、浮子式水位计、雷达水位计方法观测。

优选的，所述压力传感器观测动水水位，指由各压力传感器施测的圧强P_i，由计算压力传感器处水深，再加上压力传感器安装高程获得Z_i＝Z_i0+h_i；

式中：ρ为河流水的密度，h_i为第i个压力传感器测量水深,Z_i0为第i个压力传感器安装高程。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1)该方法不受河流的水流及河道冲淤变化影响，能使测速垂线定位更准确、稳定，提高测速代表垂线的精度；

2)该方法能有效减少河底和水面的流速测量盲区，避免因水中物质与水流运动不同速度导致的流速测量失真问题，提高河流流量测量的精度。

附图说明

图1是本发明基于压力传感器的河流代表垂线流速分布实时在线测量方法原理图；

图2是本发明中压力传感器布置示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

如图1所示：一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，该在线测量方法包括如下步骤：

1)布置代表垂线压力传感器。依据代表垂线处建立的水文观测平台，在平行于水流流线一测，从最高水位至河底按一定间距布置多个压力传感器，并确保压力传感器固定牢固。

2)观测压力传感器表面水流流速。依据流体力学伯努利方程的原理，由各压力传感器观测动水水位Z_i，结合垂线处静水水位观测Z₀，计算各个压力传感器的动静水水位差△H_i＝Z₀-Z_i，由各压力传感器的动静水水位差计算压力传感器表面水流流速

式中：Z_i各压力传感器观测的动水水位，Z₀为测量的垂线静水水位，g为重力加速度。

3)计算垂线平均流速。依据各压力传感器观测的表面水流流速V_i构成的垂线流速分布，按公式计算垂线平均流速；

式中：为垂线平均流速；H为垂线处测量时水深，即测量时静水水位与河底高程之差；△h_i为第i个传感器与第i-1个传感器的安装间距。

作为本发明的一种技术优化方案，所述河流包括天然河流、渠道、湖泊、水库等各类水体。

作为本发明的一种技术优化方案，所述代表垂线指与测量断面平均流速相关的测速垂线，可通过常规流量测量成果经相关分析获取。

作为本发明的一种技术优化方案，所述压力传感器包括但不限于压阻式传感器、气泡式传感器等形式。压阻式传感器表面为进水孔表面，气泡式传感器表面为气室与水体交界面。

作为本发明的一种技术优化方案，所述水文观测平台指刻有水尺刻度的垂直杆式建筑物，包括但不限于钢筯混凝土、钢结构、木结构等形式。

请参阅图2所示，作为本发明的一种技术优化方案，所述传感器布置可采用将压力传感器按均匀或非均匀方式安装固定在水文观测平台。压力传感器安装方向须平行于水流，包括但不限于面向河底、面向水面、面向河岸等。

作为本发明的一种技术优化方案，所述静水水位观测，指满足国家《水位观测标准》，且经率定验证的水位观测方法，包括但不限于水尺或电子水尺、浮子式水位计、雷达水位计等方法观测。

作为本发明的一种技术优化方案，所述压力传感器观测动水水位，指由各压力传感器施测的圧强P_i，由计算压力传感器处水深，再加上压力传感器安装高程获得Z_i＝Z_i0+h_i。式中：ρ为河流水的密度，h_i为第i个压力传感器测量水深,Z_i0为第i个压力传感器安装高程。

作为本发明的一种技术优化方案，所述河流水的密度，指测量时水体密度，受河流泥沙、水质的影响。

实施例

(1)代表垂线传感器布置

在水文观测平台平行于水流流线一测，从最高水位至河底按一定间距布置多个压力传感器，压力传感器可按均匀或非均匀方式排列，并确保压力传感器固定牢固，参阅图1。压力传感器安装方向须平行于水流，包括但不限于面向河底、面向水面、面向河岸等，参阅图2。

水文观测平台指刻有水尺刻度的垂直杆式建筑物，可采用钢筯混凝土、钢结构、木结构等形式建造。

(2)传感器表面水流流速观测计算

对于各压力传感器动水水位，由各压力传感器施测的圧强P_i，由计算压力传感器处水深，再加上压力传感器安装高程获得Z_i＝Z_i0+h_i。式中：ρ为河流水的密度，h_i为第i个压力传感器测量水深,Z_i0为第i个压力传感器安装高程。

对于垂线处静水水位，采用《水位观测标准》所规定的水位观测方法，包括但不限于水尺或电子水尺、浮子式水位计、雷达水位计等方法，且经率定验证。

由各压力传感器观测动水水位Z_i，结合垂线处静水水位观测Z₀，计算各个压力传感器的动静水水位差△H_i＝Z₀-Z_i，由各压力传感器的动静水水位差计算压力传感器表面水流流速式中：Z_i各压力传感器观测的动水水位，Z₀为测量的垂线静水水位，g为重力加速度。

(3)垂线平均流速计算

依据各压力传感器观测的表面流速V_i构成的垂线流速分布，按公式计算垂线平均流速。式中：为垂线平均流速；H为垂线处测量时水深，即测量时静水水位与河底高程之差；△h_i为第i个传感器与第i-1个传感器的安装间距。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，其特征在于，该在线测量方法包括如下步骤：

1)布置代表垂线压力传感器；

2)观测压力传感器表面水流流速；

3)计算垂线平均流速。

2.根据权利要求1所述的一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，依据代表垂线处建立的水文观测平台，在平行于水流流线一测，从最高水位至河底按一定间距布置多个压力传感器，并确保压力传感器固定牢固。

3.根据权利要求1所述的一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，其特征在于：所述步骤2)中，依据流体力学伯努利方程的原理，由各压力传感器观测动水水位Z_i，结合垂线处静水水位观测Z₀，计算各个压力传感器的动静水水位差△H_i＝Z₀-Z_i，由各压力传感器的动静水水位差计算压力传感器表面水流流速

式中：Z_i为各压力传感器观测的动水水位，Z₀为测量的垂线静水水位，g为重力加速度。

4.根据权利要求1所述的一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，依据各压力传感器观测的表面水流流速V_i构成的垂线流速分布，按公式计算垂线平均流速；

式中：为垂线平均流速；H为垂线处测量时水深，即测量时静水水位与河底高程之差；△h_i为第i个传感器与第i-1个传感器的安装间距。

5.根据权利要求1所述的一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，其特征在于：所述河流是天然河流、渠道、湖泊或水库任一水体。

6.根据权利要求1所述的一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，其特征在于：所述代表垂线是指与测量断面平均流速相关的测速垂线。

7.根据权利要求1所述的一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，其特征在于：所述压力传感器包括但不限于压阻式传感器和气泡式传感器，其中，压阻式传感器表面为进水孔表面，气泡式传感器表面为气室与水体交界面。

8.根据权利要求2所述的一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，其特征在于：所述水文观测平台指刻有水尺刻度的垂直杆式建筑物。

9.根据权利要求3所述的一种河流代表垂线流速分布实时在线测量方法，其特征在于：所述静水水位观测指满足国家《水位观测标准》，且经率定验证的水位观测方法，包括但不限于水尺或电子水尺、浮子式水位计、雷达水位计方法观测。

10.根据权利要求3所述的一种河流代表垂直流速分布实时在线测量方法，其特征在于：所述压力传感器观测动水水位，指由各压力传感器施测的圧强P_i，由计算压力传感器处水深，再加上压力传感器安装高程获得Z_i＝Z_i0+h_i；

式中：ρ为河流水的密度，h_i为第i个压力传感器测量水深,Z_i0为第i个压力传感器安装高程。