CN118424406B - 一种天然河道近水面部分流量计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然河道近水面部分流量计算方法及系统，属于河道流量计算的领域，其包括以下步骤：使用超声波声道检测获取河道测流断面声道布设图，根据河道测流断面声道布设图计算近水面流层断面过流面积，检测河道信息并存储；根据河道信息在河道测流断面声道布设图上划分多个声道，将声道从河道底部向上进行排序；选取河道测流断面声道布设图上河面以下的两个声道，计算两个声道之间的流层平均流速，设立水面流速的高程计算公式，使用公式计算近水面流层平均流速，使用公式计算近水面部分断面流量，本发明具有通过对河道进行建模分层等方法，有效提高了计算结果的准确度的效果。

Description

一种天然河道近水面部分流量计算方法及系统

技术领域

本发明涉及河道流量计算领域，尤其是涉及一种天然河道近水面部分流量计算方法及系统。

背景技术

声学时差法作为一种非接触式、快速、准确的流量测量方法，该方法通过测量声波在流体中传播的时间差来推算流速，进而计算流量。由于其具有测量范围广、测量精度高、对环境影响小等优点，声学时差法在河流流量监测领域具有广阔的应用前景。传统的流量测量方法，如浮标法、流速仪法等，虽然在一定程度上能够满足流量的测量需求，但在实际应用中存在着一些限制，如操作复杂、受环境条件影响大、成本较高等问题。目前要求精细度高的河道近水面部分流量计算主要是通过声学时差法测流技术进行计算，但是天然河道断面复杂，所以实际计算过程要困难很多。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：传统的流量计算方法对于天然河道水面附近流速的计算比较复杂，受各种因素影响多，计算结果就容易不准确。

发明内容

为了提高计算结果的准确度，本申请提供一种天然河道近水面部分流量计算方法及系统。

一方面，本申请提供的一种天然河道近水面部分流量计算方法采用如下的技术方案：

一种天然河道近水面部分流量计算方法，包括以下步骤：

使用超声波声道检测获取河道测流断面声道布设图，根据河道测流断面声道布设图计算近水面流层断面过流面积，检测河道信息并存储，河道信息包括河道底部高程、相对水深、水面流速、声道高程、水深起算高程、当前水位；

根据河道信息在河道测流断面声道布设图上划分多个声道，将声道从河道底部向上进行排序；

选取河道测流断面声道布设图上河面以下的两个声道和，计算 两个声道之间的流层平均流速，计算公式如下：

将流层平均流速代入积分公式内，积分公式如下：

式中，为相对水深，为河面以下第一个声道的相对水深，为河面以下 第二个声道的相对水深，为水面流速，为积分公式，积分公式的表达式如下：

设立水面流速的高程计算公式，公式如下：

式中，为河面以下第一个声道的声道高程，为水深起算高程，为当前 水位与水深起算高程的差，使用公式计算近水面流层平均流速，公式如下：

然后，使用公式计算近水面部分断面流量，公式如下：

式中，为近水面流层断面过流面积，获得近水面部分断面流量。

通过采用上述方案，使用常规的超声波声道检测后，将检测结果建模并生成河道测流断面声道布设图，然后在图内划分声道，通过多声道和不同高程的计算，可以减少流速计算时误差的影响，增加计算精度。

优选的，所述步骤“检测河道信息并存储之后”还包括以下步骤：

判断当前河道水位是否为低水位；

若不是低水位，则使用正常测流方式；

若是低水位，则使用公式计算水面流速，公式如下：

式中，是第一条声道的横线平均流速，为第一条声道的河道底部高程， 使用公式计算近水面流层平均流速，公式如下：

通过近水面流层平均流速计算近水面部分断面流量。

通过采用上述方案，因为河道水位是会变化的，而且高水位和低水位差距通常较大，所以为了流量计算准确，在计算前要先判断当前河道水位是否为低水位，如果是低水位，则直接计算河面流速和河面下一层声道的水流流速，使得计算结果更加准确。

优选的，所述步骤“使用公式计算近水面流层平均流速”之前还包括：

调用历史对当前检测点位记录的数据，使用超定方程组对水面流速进行修正，超定方程组如下：

式中，每条方程的数据为单次检测的数据，最后一条为本次检测数据，均为未知数， 根据所有水面流速的残差，使用最小二乘法找到使残差平方和最小的水面流速，使用获得的水面流速进行下一步计算。

通过采用上述方案，通过历史的检测数据构建超定方程组，能够分析历史数据中各项数据与当前检测结果的差别，通过超定方程组能够对水面流速进行修正，进一步提高计算结果的准确性。

优选的，所述步骤“使用超声波声道检测获取河道测流断面声道布设图”还包括：

超声波声道模拟出河道测流断面图，将河道测流断面图边界的曲线拟合为直线，在河道测流断面图上标注河道信息的历史最高水位、历史最低水位、中常水位和当前水位，将中常水位作为低水位判断标准。

通过采用上述方案，将河道测流断面图边界的曲线拟合为直线能够方便计算断面面积，曲线会导致计算结果不准确且增大计算工作量，河道水位低于中常水位的情况比较常见，且没有低于中常水位高于历史最低水位的声道，所以将中常水位作为低水位判断标准较为准确。

优选的，还包括以下步骤：

使用单独超声波检测设备对待检测点进行检测，将检测获得的河道测流断面声道布设图作为校验结果，预设误差允许值；

将多个超声波检测设备布置在待检测点周围，将所有超声波检测设备以相控阵进行设置并连接；

调整每个超声波检测设备，使其冲向待检测点；

进行初步检测，将检测获得的河道测流断面声道布设图与校验结果进行比较，获取误差面积，判断误差面积是否超过误差允许值；

若误差面积超过误差允许值，则重新调整超声波检测设备；

若误差面积不超过误差允许值，则将检测的河道测流断面声道布设图作为检测结果参与计算。

通过采用上述方案，相控阵技术可以有效提高超声波检测设备的检测精度，在布设时，先单独使用一个超声波检测设备进行检测，然后在布设所有超声波检测设备，并进行测试，此时系统能够自动判断布设结果是否合适，方便工作人员调整超声波检测设备。

另一方面，本申请提供的一种天然河道近水面部分流量计算系统采用如下的技术方案：

一种天然河道近水面部分流量计算系统，包括信息采集模块、数据存储模块、图像处理模块、流速计算模块和流量计算模块；

所述信息采集模块检测河道信息，信息采集模块使用超声波声道检测获取河道测流断面声道布设图，将河道信息传输给数据存储模块，将河道测流断面声道布设图传输给图像处理模块；

所述数据存储模块接收信息并按照时间排序进行存储；

所述图像处理模块根据河道测流断面声道布设图计算近水面流层断面过流面积并进行标注，并根据河道信息在河道测流断面声道布设图上划分多个声道，将声道从河道底部向上进行排序并进行标注，将标注后的河道测流断面声道布设图传输给数据存储模块；

所述流速计算模块调用数据存储模块存储的河道测流断面声道布设图，选取河道测流断面声道布设图上河面以下的两个声道，计算两个声道之间的流层平均流速，将流层平均流速代入积分公式内，使用积分公式和高程计算公式计算水面流速；

所述流量计算模块调用流速计算模块计算的水面流速和近水面流层断面过流面积，将水面流速和近水面流层断面过流面积相乘获得近水面部分断面流量。

通过采用上述方案，使用常规的超声波声道检测后，系统自动将检测结果建模并生成河道测流断面声道布设图，然后在图内划分声道，通过多声道和不同高程的计算，可以减少流速计算时误差的影响，增加计算精度。

优选的，还包括水位判断模块、快速计算模块；

所述水位判断模块预设有低水位判断标准，水位判断模块调用数据存储模块存储的河道数据，读取河道数据中的当前水位，将当前水位与低水位判断标准进行对比，当当前水位低于低水位判断标准时，向快速计算模块传输启动信号；

所述快速计算模块接收到启动信号后停止流速计算模块的工作，使用公式计算水面流速，将水面流速代入公式计算近水面流层平均流速，通过近水面流层平均流速计算近水面部分断面流量。

通过采用上述方案，因为河道水位是会变化的，而且高水位和低水位差距通常较大，所以为了流量计算准确，系统会自动判断当前河道水位是否为低水位，如果是低水位，则直接计算河面流速和河面下一层声道的水流流速，使得计算结果更加准确。

优选的，还包括流速修正模块；

所述流速修正模块调用数据存储模块存储的对当前检测点的历史检测数据，将每个时间点下的历史检测数据代入水面流速计算公式形成方程，将所有方程组合形成超定方程组，根据所有水面流速的残差，使用最小二乘法找到使残差平方和最小的水面流速，将获得的水面流速传输给流量计算模块。

通过采用上述方案，系统通过存储的历史的检测数据构建超定方程组，或者使用大数据技术获取该检测点位的数据，能够分析历史数据中各项数据与当前检测结果的差别，通过超定方程组能够对水面流速进行修正，进一步提高计算结果的准确性。

优选的，所述图像处理模块在河道测流断面声道布设图上标注河道信息的历史最高水位、历史最低水位、中常水位和当前水位，将中常水位作为低水位判断标准传输给水位判断模块进行覆盖。

通过采用上述方案，河道水位低于中常水位的情况比较常见，且没有低于中常水位高于历史最低水位的声道，所以将中常水位作为低水位判断标准较为准确。

优选的，还包括检测校准模块；

所述检测校准模块包括多个超声波检测设备，检测校准模块预设有误差允许值，检测校准模块使用单独超声波检测设备对待检测点进行检测，将检测获得的河道测流断面声道布设图作为校验结果，调用信息采集模块的河道测流断面声道布设图，将河道测流断面声道布设图与校验结果进行比较，获取误差面积，将误差面积与误差允许值进行比较，若误差面积超过误差允许值，则发出警报。

通过采用上述方案，相控阵技术可以有效提高超声波检测设备的检测精度，在布设时，工作人员先单独使用一个超声波检测设备进行检测，然后在布设所有超声波检测设备，并进行测试，此时系统能够自动判断布设结果是否合适，若检测误差过大则自动发出警报提醒工作人员，方便工作人员调整超声波检测设备。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.生成河道测流断面声道布设图并划分声道，通过多声道和不同高程的计算，可以减少流速计算时误差的影响，增加计算精度。

2.在计算前要先判断当前河道水位是否为低水位，如果是低水位，则直接计算河面流速和河面下一层声道的水流流速，使得计算结果更加准确。

3.通过超定方程组能够对水面流速进行修正，进一步提高计算结果的准确性。

附图说明

图1是本申请实施例二的整体系统框图。

附图标记说明：

1、信息采集模块；2、数据存储模块；3、图像处理模块；4、流速计算模块；5、流量计算模块；6、水位判断模块；7、快速计算模块；8、流速修正模块；9、检测校准模块；91、超声波检测设备。

具体实施方式

以下结合附图1对本申请作进一步详细说明。

实施例一、本申请实施例公开一种天然河道近水面部分流量计算方法，具体步骤如下：

预设误差允许值。使用单独超声波检测设备91对待检测点进行检测，将检测获得的河道测流断面声道布设图作为校验结果。

将多个超声波检测设备91布置在待检测点周围，将所有超声波检测设备91以相控阵进行设置并连接。

调整每个超声波检测设备91，使其冲向待检测点。

进行初步检测，将检测获得的河道测流断面声道布设图与校验结果进行比较，获取误差面积，判断误差面积是否超过误差允许值。

若误差面积超过误差允许值，则重新调整超声波检测设备91。

若误差面积不超过误差允许值，则将检测的河道测流断面声道布设图作为检测结果参与计算。

超声波声道模拟出河道测流断面图，将河道测流断面图边界的曲线拟合为直线，在河道测流断面图上标注河道信息的历史最高水位、历史最低水位、中常水位和当前水位，将中常水位作为低水位判断标准。

根据河道测流断面声道布设图计算近水面流层断面过流面积。检测河道信息并存储，河道信息包括河道底部高程、相对水深、水面流速、声道高程、水深起算高程、当前水位。

判断当前河道水位是否为低水位。

若是低水位，则使用公式计算水面流速，公式如下：

式中，是第一条声道的横线平均流速，为第一条声道的河道底部高程， 使用公式计算近水面流层平均流速，公式如下：

通过近水面流层平均流速计算近水面部分断面流量。

若不是低水位，则进行下一步。

根据河道信息在河道测流断面声道布设图上划分多个声道，将声道从河道底部向上进行排序。河道声道从底部向上通常可以分为近河底声道、断面控制声道、中常水声道、大洪水声道。

选取河道测流断面声道布设图上河面以下的两个声道和，计算 两个声道之间的流层平均流速，计算公式如下：

将流层平均流速代入积分公式内，积分公式如下：

式中，为相对水深，为河面以下第一个声道的相对水深，为河面以下 第二个声道的相对水深，为水面流速，为积分公式，积分公式的表达式如下：

设立水面流速的高程计算公式，公式如下：

式中，为河面以下第一个声道的声道高程，为水深起算高程，为当前 水位与水深起算高程的差。调用历史对当前检测点位记录的数据，使用超定方程组对水面 流速进行修正，超定方程组如下：

式中，每条方程的数据为单次检测的数据，最后一条为本次检测数据，均为 未知数，根据所有水面流速的残差，使用最小二乘法找到使残差平方和最小的水面 流速，使用获得的水面流速进行下一步计算。

使用公式计算近水面流层平均流速，公式如下：

然后，使用公式计算近水面部分断面流量，公式如下：

式中，为近水面流层断面过流面积，获得近水面部分断面流量。

本申请实施例一种天然河道近水面部分流量计算方法及系统的实施原理为：使用常规的超声波声道检测后，将检测结果建模并生成河道测流断面声道布设图，然后在图内划分声道，通过多声道和不同高程的计算，可以减少流速计算时误差的影响，增加计算精度。因为河道水位是会变化的，而且高水位和低水位差距通常较大，所以为了流量计算准确，在计算前要先判断当前河道水位是否为低水位，如果是低水位，则直接计算河面流速和河面下一层声道的水流流速，使得计算结果更加准确。

实施例二、本申请实施例公开一种天然河道近水面部分流量计算系统，如图1所示，包括信息采集模块1、数据存储模块2、图像处理模块3、流速计算模块4、流量计算模块5、水位判断模块6、快速计算模块7、流速修正模块8、检测校准模块9。

检测校准模块9包括多个超声波检测设备91，检测校准模块9预设有误差允许值，检测校准模块9使用单独超声波检测设备91对待检测点进行检测，将检测获得的河道测流断面声道布设图作为校验结果，调用信息采集模块1的河道测流断面声道布设图，将河道测流断面声道布设图与校验结果进行比较，获取误差面积，将误差面积与误差允许值进行比较，若误差面积超过误差允许值，则发出警报。相控阵技术可以有效提高超声波检测设备91的检测精度，在布设时，工作人员先单独使用一个超声波检测设备91进行检测，然后在布设所有超声波检测设备91，并进行测试，此时系统能够自动判断布设结果是否合适，若检测误差过大则自动发出警报提醒工作人员，方便工作人员调整超声波检测设备91。

信息采集模块1检测河道信息，信息采集模块1使用超声波声道检测获取河道测流断面声道布设图，将河道信息传输给数据存储模块2，将河道测流断面声道布设图传输给图像处理模块3。数据存储模块2接收信息并按照时间排序进行存储。

图像处理模块3根据河道测流断面声道布设图计算近水面流层断面过流面积并进行标注，并根据河道信息在河道测流断面声道布设图上划分多个声道，将声道从河道底部向上进行排序并进行标注，将标注后的河道测流断面声道布设图传输给数据存储模块2。图像处理模块3在河道测流断面声道布设图上标注河道信息的历史最高水位、历史最低水位、中常水位和当前水位，将中常水位作为低水位判断标准传输给水位判断模块6进行覆盖。河道水位低于中常水位的情况比较常见，且没有低于中常水位高于历史最低水位的声道，所以将中常水位作为低水位判断标准较为准确。

水位判断模块6预设有低水位判断标准，水位判断模块6调用数据存储模块2存储的河道数据，读取河道数据中的当前水位，将当前水位与低水位判断标准进行对比，当当前水位低于低水位判断标准时，向快速计算模块7传输启动信号。快速计算模块7接收到启动信号后停止流速计算模块4的工作，使用公式计算水面流速，将水面流速代入公式计算近水面流层平均流速，通过近水面流层平均流速计算近水面部分断面流量。因为河道水位是会变化的，而且高水位和低水位差距通常较大，所以为了流量计算准确，系统会自动判断当前河道水位是否为低水位，如果是低水位，则直接计算河面流速和河面下一层声道的水流流速，使得计算结果更加准确。

流速修正模块8调用数据存储模块2存储的对当前检测点的历史检测数据，将每个时间点下的历史检测数据代入水面流速计算公式形成方程，将所有方程组合形成超定方程组，根据所有水面流速的残差，使用最小二乘法找到使残差平方和最小的水面流速，将获得的水面流速传输给流量计算模块5。系统通过存储的历史的检测数据构建超定方程组，或者使用大数据技术获取该检测点位的数据，能够分析历史数据中各项数据与当前检测结果的差别，通过超定方程组能够对水面流速进行修正，进一步提高计算结果的准确性。

流速计算模块4调用数据存储模块2存储的河道测流断面声道布设图，选取河道测流断面声道布设图上河面以下的两个声道，计算两个声道之间的流层平均流速，将流层平均流速代入积分公式内，使用积分公式和高程计算公式计算水面流速。

流量计算模块5调用流速计算模块4计算的水面流速和近水面流层断面过流面积，将水面流速和近水面流层断面过流面积相乘获得近水面部分断面流量。使用常规的超声波声道检测后，系统自动将检测结果建模并生成河道测流断面声道布设图，然后在图内划分声道，通过多声道和不同高程的计算，可以减少流速计算时误差的影响，增加计算精度。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种天然河道近水面部分流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用超声波声道检测获取河道测流断面声道布设图，根据河道测流断面声道布设图计算近水面流层断面过流面积，检测河道信息并存储，河道信息包括河道底部高程、相对水深、水面流速、声道高程、水深起算高程、当前水位；

根据河道信息在河道测流断面声道布设图上划分多个声道，将声道从河道底部向上进行排序；

判断当前河道水位是否为低水位；

若不是低水位，则使用正常测流方式；

若是低水位，则使用公式计算水面流速，公式如下：

；

式中，是第一条声道的横线平均流速，为第一条声道的河道底部高程，使用公式计算近水面流层平均流速，公式如下：

；

通过近水面流层平均流速计算近水面部分断面流量；

选取河道测流断面声道布设图上河面以下的两个声道和，计算两个声道之间的流层平均流速，计算公式如下：

；

将流层平均流速代入积分公式内，积分公式如下：

；

式中，为相对水深，为河面以下第一个声道的相对水深，为河面以下第二个声道的相对水深，为水面流速，为积分公式，积分公式的表达式如下：

；

设立水面流速的高程计算公式，公式如下：

；

式中，为河面以下第一个声道的声道高程，为水深起算高程，为当前水位与水深起算高程的差，调用历史对当前检测点位记录的数据，使用超定方程组对水面流速进行修正，超定方程组如下：

；

式中，每条方程的数据为单次检测的数据，最后一条为本次检测数据，均为未知数，根据所有水面流速的残差，使用最小二乘法找到使残差平方和最小的水面流速，使用获得的水面流速进行下一步计算；

使用公式计算近水面流层平均流速，公式如下：

；

然后，使用公式计算近水面部分断面流量，公式如下：

；

式中，为近水面流层断面过流面积，获得近水面部分断面流量。

2.根据权利要求1所述的一种天然河道近水面部分流量计算方法，其特征在于，所述步骤“使用超声波声道检测获取河道测流断面声道布设图”还包括：

超声波声道模拟出河道测流断面图，将河道测流断面图边界的曲线拟合为直线，在河道测流断面图上标注河道信息的历史最高水位、历史最低水位、中常水位和当前水位，将中常水位作为低水位判断标准。

3.根据权利要求1所述的一种天然河道近水面部分流量计算方法，其特征在于，还包括以下步骤：

使用单独超声波检测设备(91)对待检测点进行检测，将检测获得的河道测流断面声道布设图作为校验结果，预设误差允许值；

将多个超声波检测设备(91)布置在待检测点周围，将所有超声波检测设备(91)以相控阵进行设置并连接；

调整每个超声波检测设备(91)，使其冲向待检测点；

进行初步检测，将检测获得的河道测流断面声道布设图与校验结果进行比较，获取误差面积，判断误差面积是否超过误差允许值；

若误差面积超过误差允许值，则重新调整超声波检测设备(91)；

若误差面积不超过误差允许值，则将检测的河道测流断面声道布设图作为检测结果参与计算。

4.一种天然河道近水面部分流量计算系统，包括如权利要求1-3任一项所述的天然河道近水面部分流量计算方法，其特征在于：包括信息采集模块(1)、数据存储模块(2)、图像处理模块(3)、流速计算模块(4)和流量计算模块(5)；

所述信息采集模块(1)检测河道信息，信息采集模块(1)使用超声波声道检测获取河道测流断面声道布设图，将河道信息传输给数据存储模块(2)，将河道测流断面声道布设图传输给图像处理模块(3)；

所述数据存储模块(2)接收信息并按照时间排序进行存储；

所述图像处理模块(3)根据河道测流断面声道布设图计算近水面流层断面过流面积并进行标注，并根据河道信息在河道测流断面声道布设图上划分多个声道，将声道从河道底部向上进行排序并进行标注，将标注后的河道测流断面声道布设图传输给数据存储模块(2)；

所述流速计算模块(4)调用数据存储模块(2)存储的河道测流断面声道布设图，选取河道测流断面声道布设图上河面以下的两个声道，计算两个声道之间的流层平均流速，将流层平均流速代入积分公式内，使用积分公式和高程计算公式计算水面流速；

所述流量计算模块(5)调用流速计算模块(4)计算的水面流速和近水面流层断面过流面积，将水面流速和近水面流层断面过流面积相乘获得近水面部分断面流量。

5.根据权利要求4所述的一种天然河道近水面部分流量计算系统，其特征在于：还包括水位判断模块(6)、快速计算模块(7)；

所述水位判断模块(6)预设有低水位判断标准，水位判断模块(6)调用数据存储模块(2)存储的河道数据，读取河道数据中的当前水位，将当前水位与低水位判断标准进行对比，当当前水位低于低水位判断标准时，向快速计算模块(7)传输启动信号；

所述快速计算模块(7)接收到启动信号后停止流速计算模块(4)的工作，使用公式计算水面流速，将水面流速代入公式计算近水面流层平均流速，通过近水面流层平均流速计算近水面部分断面流量。

6.根据权利要求5所述的一种天然河道近水面部分流量计算系统，其特征在于：还包括流速修正模块(8)；

所述流速修正模块(8)调用数据存储模块(2)存储的对当前检测点的历史检测数据，将每个时间点下的历史检测数据代入水面流速计算公式形成方程，将所有方程组合形成超定方程组，根据所有水面流速的残差，使用最小二乘法找到使残差平方和最小的水面流速，将获得的水面流速传输给流量计算模块(5)。

7.根据权利要求5所述的一种天然河道近水面部分流量计算系统，其特征在于：所述图像处理模块(3)在河道测流断面声道布设图上标注河道信息的历史最高水位、历史最低水位、中常水位和当前水位，将中常水位作为低水位判断标准传输给水位判断模块(6)进行覆盖。

8.根据权利要求4所述的一种天然河道近水面部分流量计算系统，其特征在于：还包括检测校准模块(9)；

所述检测校准模块(9)包括多个超声波检测设备(91)，检测校准模块(9)预设有误差允许值，检测校准模块(9)使用单独超声波检测设备(91)对待检测点进行检测，将检测获得的河道测流断面声道布设图作为校验结果，调用信息采集模块(1)的河道测流断面声道布设图，将河道测流断面声道布设图与校验结果进行比较，获取误差面积，将误差面积与误差允许值进行比较，若误差面积超过误差允许值，则发出警报。