[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

摘要

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。

主权项

1.一种非接触式雷达测流的河道断面流量计算方法，其特征在于：首先，在雷达探头测点所在的河道横断面，按一定的距离间隔进行断面测量，记录高程坐标，并绘制河流横断面实测图；其次，基于断面实测数据，在通用计算模拟软件中进行多项式曲线拟合，得到断面拟合函数表达式并绘制河流横断面曲线拟合图；再次，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，接着，选取一定数量的垂线对河道拟合断面进行均匀划分，依次计算各条垂线水深及对应的垂线流速，对每条垂线段作虚垂线，与河道拟合断面及实测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，计算河道断面流量，即完成了基于河道水位和表面流速实测数据的断面流量计算；所述方法的具体步骤如下：(1)选定雷达测流的河道断面，顺河道水流方向，从左岸到右岸，按每隔1米至5米取一个点，通过单波速测深技术进行河道断面测量，记录点号及高程坐标(k_i,H(k_i))，两端点的高程值记为x_a与x_b，利用一般通用绘图软件绘制河道横断面实测图；(2)基于断面实测数据和最小二乘法原理，在通用计算机模拟软件中进行断面多项式曲线拟合，采用确定系数作为拟合效果的评价指标，得到河道横断面拟合函数表达式，即f(x)＝a_n·xⁿ+a_n‑1·x^n‑1+....+a₁·x+a₀，并绘制横断面曲线拟合图；(3)利用GPS定位装置和全站仪，记录探头的三维坐标(x₀,y₀,z₀)；(4)根据探头横坐标x₀及左岸端点坐标x_a，计算探头所在垂线与拟合断面交点的横坐标，记为x_p0，x_p0＝x₀‑x_a；(5)根据拟合断面函数表达式f(x)，进一步求得交点的纵坐标，记为y_p0，y_p0＝f(x_p0)，即为垂线与拟合断面交点处的水底高程，记为h_b0，h_b0＝y_p0；(6)根据河道实测水位h_i和探头的水底高程h_b0，计算探头所在位置的垂线水深，记为h₀，h₀＝h_i‑h_b0，即为实测水位下探头所在断面的水力半径；(7)根据探头实测到的河道表面流速和水位—(v_i,h_i)，并结合断面糙率n₀，利用水力学曼宁公式，计算实测水位下探头所在断面的水面比降s₀，s₀＝(v·n₀·h₀^‑2/3)²；(8)根据实测水位h_i及河道大断面拟合函数表达式y＝f(x)，求解拟合函数值为实测水位时的方程，即f(x)＝h_i，选取位于区间及的2个实数根，记为x_i1和x_i2，即为实测水位线与断面左右岸交点的横坐标；(9)选取m条垂线，一般为15‑30条，对河道断面从左岸至右岸进行均匀划分，根据实测水位线h_i与断面左右岸交点横坐标x_i1、x_i2，进一步计算各垂线间隔，记为u_i，(10)根据垂线间隔u_i及实测水位线与断面左岸交点横坐标x_i1、x_i2，计算各垂线对应的横坐标，记为x_pj，x_pj＝x_i1+j·u_i，依据前述步骤(5)，分别计算各垂线水底高程，记为h_bj，h_bj＝f(x_pj)；(11)根据实测水位h_i和各垂线水底高程h_bj，计算各垂线水深h_pj，h_pj＝h_i‑h_bj，将断面糙率n₀和水面比降s₀代入曼宁公式，依次计算各垂线对应的流速v_pj，v_pj＝n₀^‑1·h_pj^2/3·s₀^1/2；(12)在每个垂线间隔中点处作垂虚线，垂虚线的总数目为m‑1，m‑1条垂虚线与实测水位线h_i、河道大断面拟合曲线y＝f(x)构成m个不规则多边形；(13)将第1个和第m个多边形作三角形概化处理，剩余第2个至第m‑1个多边形则概化成矩形，依次计算各多面形面积a_j，计算公式如下：(14)依据水力学天然河道流量计算原理，采用面积加权法，将各个多边形面积a_j与其对应的垂线流速v_pj相乘再分别相加，则可完成河道断面实时流量Q的计算，计算公式为：