[发明专利]基于河流表面流速的河道断面流量计算方法

说明书

本发明提供一种基于河流表面流速的河道断面流量计算方法，包括：建立河道断面的最大表面流速与断面平均流速之间的线性关系；对拍摄得到河流视频图像利用时空影像测量法获取河道断面的最大表面流速；根据河道断面的历史观测数据，通过一元线性回归确定断面最大表面流速与断面平均流速的关系系数，并得到断面平均流速；设置若干条测深垂线沿河道断面从左至右均匀分布将断面划分为若干个区域，从而得到断面面积；并根据该断面面积与已得到的表面流速计算得到河道断面流量，本发明解决了非接触式测流技术无法获取断面流量的问题，同时使恶劣条件下的水文测报、流量测验工作更加高效、便捷、安全、准确，具有重要的理论意义和应用价值。

技术领域

本发明属于水文测验的流量测验技术领域，具体涉及一种基于河流表面流速的河道断面流量计算方法。

背景技术

近年来，受全球气候变化的影响，洪水灾害频繁发生，给社会经济和人民生命安全带来严重威胁，如何在上述极端恶劣条件下测量河流的有关数据，已经成为了迫切需要解决的技术问题。随着计算机技术的不断发展，采用基于图像识别的测流方法成为解决上述问题的最佳途径之一。时空影像测量法(STIV)作为一种重要的图像测流方法，由于具有空间分辨率高、实时性强、安全简便、成本较低等优点，在河流的实时监测中具有特别的应用潜力。该方法通过拍摄水流视频，提取视频图像中水流运动的时间和空间信息，以获取河流的一维表面流速。

在实际生产生活中，无论是对于工程设计、水资源管理，还是对于灾害风险管理而言，人们更关心的是河流流量，而并非流速数据。然而，以往关于时空影像测量法的研究更多侧重于表面流速的计算方法，而对于如何由表面流速计算得到断面流量却鲜有涉及。截至目前，尚未有一种科学合理的基于视频图像获取表面流速，再由表面流速计算河道断面流量的方法。断面流量的获取仍然是依靠经验系数或者是经验公式。这些方法依赖于观测者自身的经验，其科学性和合理性难以保证，往往具有很大的不确定性。因此研究一种具有数学机理和物理意义的流量测算方法具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种基于河流表面流速的河道断面流量计算方法，基于视频图像计算河流表面流速并进一步计算出河道断面流量，在时空影像测量法获得断面最大表面流速的基础上，将数学机理和水文学流量测量原理融入进河道流量的测算过程中，解决了现有技术中时空影像测量法无法获取河道断面流量的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于河流表面流速的河道断面流量计算方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立河道断面的最大表面流速与断面平均流速之间的线性关系得到对应的关系表达式；

步骤S2，对拍摄得到河流视频图像利用时空影像测量法获取河道断面的最大表面流速；

步骤S3，根据河道断面的历史观测数据，通过一元线性回归确定断面最大表面流速与断面平均流速的关系系数，并得到断面平均流速；

步骤S4，设置若干条测深垂线沿河道断面从左至右均匀分布将断面划分为若干个区域，从而得到断面面积；并根据该断面面积与所述步骤S3得到的表面流速计算得到河道断面流量。

较佳地，所述步骤S1包括：

首先将河流断面流速分布u＝u(y,z)由直角坐标系y-z转换为ξ-η等流速线坐标系统使流速u与ξ呈一一对应关系，即得到关系式一：

u＝u(ξ)(0≤u≤u_max,ξ₀≤ξ≤ξ_max)

其中，y代表河深方向，z代表河床方向，ξ代表等流速线，η代表与ξ正交的曲线；

进一步，假设u与ξ为随机变量，并且其概率密度函数分别为p(u)和q(ξ)，同时ξ在ξ₀和ξ_max之间呈均匀分布，即得到关系式二：