[发明专利]一种非接触式雷达测流的河道断面流量计算方法

说明书

本发明提供一种非接触式雷达测流的河道断面流量计算方法，在雷达探头测点所在的河道横断面上，按一定的距离间隔进行断面测量，基于实测断面数据，进行断面多项式曲线拟合，并根据探头位置、实测水位、表面流速及河床糙率，结合水力学曼宁公式，计算河道断面水面比降，然后，基于水力学天然河道流量计算原理，选择一定数量的垂线对河道断面进行均匀划分，依次计算各条垂线水深及对应的垂线流速，再在每个垂线间隔中点处作虚垂线，数条垂虚线与断面拟合曲线以及河道水位线构成数个不规则的多边形，依次计算每个多边形的面积，最后，采用面积加权法，计算河道大断面流量。本发明对在线测流技术的推广及防汛的高实时性流量监控有重要的实用价值。

技术领域

本发明涉及水文测报领域，具体涉及一种非接触式雷达测流的河道断面流量计算方法。

背景技术

河道测流是对河流的实时流量进行周期性动态测量，可为防洪、水文水利计算、水资源评价与管理等提供基础数据资料支撑，对掌握水情和水资源状况，进行防汛减灾、合理调配水资源及跨河或临河的基础建设具有十分重要意义。同时，它也是水文工作的重要内容，每年需要耗费大量的人力物力去完成测验任务。

传统的流量测验手段都是基于接触式测量，常用设备包括机械型转子式流速仪、走航式声学多普勒流速剖面仪(ADCP)等。一方面，由于经典接触式测流仪具有准确、结构简单、易于掌握等特点，目前依然是我国河流流量测验的主要工具。另一方面，该类测量设施必须浸于水体，才能进行流量测验工作，人工参与度高，自动化程度低，测量周期长，汛期危险性高。并且，恶劣的现场环境亦大大增加了水文测验的难度，影响和制约着水文的快速发展，并与目前防汛的高实时性流量监控要求不相匹配，亟需实时在线流量监测技术和设备。

一种非接触式雷达水流监测技术在国外提出，能在极其恶劣的条件下，能不间断地测量并记录数据，并在在奥地利气象局、德国巴伐利亚州水务局、意大利国家水文测验与海洋调查局、法国环境部、美国地质调查局及我国台湾地区水利署等均有应用。近年来，国内在中小河流水文监测系统建设的推动下，雷达测流设备引进数量增多，非接触式测流技术也得到广泛关注，成为水文测验领域的一大热点。雷达测流设备采用远距离非接触测量流速，通过雷达波传感器自动发射和接收功能，利用多普勒原理测定水面流速，实现非接触式的流量在线自动监测功能。非接触式测流仪具有安装简便、测速快、自动化程度高、少受水毁影响等特点，在洪水期高流速条件下也能进行测验，特别适合承担洪水监测、高洪抢测、危险水情测量等特殊观测任务，可在以防汛为主要目的测量中发挥重大作用，大大提高防汛决策效率。因此，非接触雷达设备应用前景广阔，可作为常规测流技术的补充或替代，是当前水文测验的发展主流趋势。

非接触雷达测流设备不仅能解决人工无法测验河道流量的问题，而且在恶劣的野外环境下实现真正的“无人值守”，有效提高河流流量监测现代化水平。但是非接触式测量只能直接测量河流表面多点的流速，不能像传统的接触式测量技术可以测量河道横断面预定位置上多点流速，从而不能直接测算河道断面瞬时流量。目前，非接触式雷达测流技术在获取河道水位和表面流速后，大多基于统计学相关分析方法，采用相关系数高的某条垂线代表流速计算断面流量，还缺乏基于水力学河道流量测验依据的断面流量计算方法，成为该项技术广泛应用推广的一大障碍。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种非接触式雷达测流的河道断面流量计算方法，在非接触式雷达测得河道水位和表面流速的基础上，将水力学天然河道流量测验计算原理和计算机模拟作为河道断面平均流量的计算依据和获取手段，解决非接触式雷达测流技术无法获取河道断面流量问题。

本发明采用的技术方案如下：