一种虚拟二线能坡河渠流量测流法

摘要

本发明公开一种虚拟二线能坡河渠流量测流法，属于河渠流量计量技术领域。在非均匀流条件下，采用在过水断面中测取两条(中泓两侧各一条)垂线流速，通过均匀流谢才—曼宁公式建立的垂线流速模型逆运算，得到两个虚拟均匀流能坡，代入垂线流速模型，计算出超出人工实测垂线条数数倍的垂线流速，最后用部分流速—面积法算出流量，为实现流量在线监测提供重大技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及河渠流量计量技术领域，特别涉及一种虚拟二线能坡河渠流量测流法。

背景技术

河渠流量计量法，通常分为四大类型，即体积法(称重法)、水文(或垂线平均流速)测流法、水力学公式法、试剂稀释法。从溯源角度认知，其中体积法精度最高；垂线平均流速测流法理论严谨，测流成果被世界公认为“真值”；水力学公式法、试剂稀释法中相关系数都要经过垂线流速测流法验证认可。

传统河渠流量计量中，过水断面通常是已知的(可根据实测水位查算)，然后根据测流规范，沿河渠水面宽在过水断面上用流速仪测量多条垂线平均流速，最后用部分流速—面积法算出流量，其作业过程称为测流。

测流作业方法可包括缆道测流、船测、涉水测流、浮标测流等多种方法，费时费力，测流手段落后；大洪水，又称为高洪，受过河作业手段落后和难度限制，危险性大，高洪流量测不到。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟二线能坡河渠流量测流法，以解决现有的传统河渠流量计量方式费时费力以及无法在线监测的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种虚拟二线能坡河渠流量测流法，用于各种均匀流、非均匀流态的过水断面中无死水、回流和畅流的河渠流量在线计量，施测水位与垂线流速仪安装于同一浮体中，包括以下步骤：

A.确定两条施测垂线的位置C1和C2，即在测流断面上选择两条进行流速测量的位置C1和C2；

B.测量两个垂线位置C1、C2的垂线流速V1、V2；

C.利用垂线流速模型逆向计算得到对应于V1、V2的虚拟能坡S1和S2，计算两者能坡差；

D.根据河渠流量测验规范规定要求，在测流断面上选择若干条测流垂线，垂线位置C1左岸一侧各垂线的能坡取为S1，垂线位置C2右岸一侧各垂线的能坡取为S2，垂线位置C1、C2之间各垂线的能坡按S1、S2能坡差，用线性内插法计算能坡；

E.利用各垂线所得到的能坡，代入垂线流速模型，计算各垂线平均流速；

F.根据各垂线平均流速，用部分流速—面积法算出断面总流量；其中，所述垂线流速模型，是将垂线套入与该垂线水深相等、水面宽等于实测水面宽的矩形过水断面中，根据矩形断面中垂线流速公式，算出矩形断面中的垂线平均流速；然后再将垂线套入高与该垂线水深相等，宽与实测水面宽相等的三角形过水断面中，用三角形断面中垂线流速公式算出三角形断面中该垂线平均流速；根据所述两垂线流速以及夹在矩形断面和三角形断面之间的不过水面积，用内插法算出实际垂线流速。

可选的，所述矩形断面中垂线流速公式为：

其中：u为矩形断面中垂线流速；

u

u

α为与矩形断面宽深比有关的系数；

n为糙率；

R

R

S为能坡。

可选的，所述三角形断面中垂线流速公式为：

其中：v为三角形断面中垂线流速；

v

v

β为与三角形边坡系数有关的流速系数；

n为糙率；

R

R

S为能坡。

可选的，所述的内插法采用的公式为：

其中：U为实际垂线流速；

u

u

v

v

f

f

F

F

可选的，所述的糙率是采用下述公式计算的：

其中：n为糙率，是河道中沿断面宽、以过水面积为权重不同糙率加权平均值；

n

n

Δn是河道中沿断面宽相邻糙率差；

n

L

可选的，所述两条实测垂线流速的位置C1和C2，是流体的中泓两侧畅流区任意位置。

可选的，按河渠流量测验规范要求，根据如权利要求6所述两条施测两条垂线的流速，用垂线流速模型进行逆运算，计算虚拟能坡，并按照如权利要求1中步骤D、E、F操作，最后用部分流速—面积法得到全断面流量。

可选的，在河渠中泓两侧畅流区任意起点据位置C1、C2，选择两条实测流速垂线，采用上述步骤B至步骤C，得到对应于该两条的两个虚拟能坡S1、S2和两者能坡差。

可选的，河渠左岸各垂线对应采用能坡，左岸取为S1，右岸取为S2。

可选的，所述起点据位置C1、C2，其间各垂线对应能坡，用线性内插法求得，把所求能坡代入垂线流速模型，求出各垂线平均流速，最后用部分流速—面积法算出断面总流量。

本发明涉及一种虚拟能坡河渠流量测量法，在非均匀流条件下，采用在过水断面中测取两条(中泓两侧各一条)垂线流速，通过均匀流谢才—曼宁公式建立的垂线流速模型逆运算，得到两个虚拟均匀流能坡，代入垂线流速模型，计算出超出人工实测垂线条数数倍的垂线流速，最后用部分流速—面积法算出流量，为实现流量在线监测提供重大技术支撑。

附图说明

图1为垂线流速模型示意图；

图2为垂线流速修正系数曲线示意图一；

图3为垂线流速修正系数曲线示意图二；

图4和图5为河道糙率不同区域分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种虚拟二线能坡河渠流量测流法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种虚拟二线能坡河渠流量测流法，如图1所示，用于各种均匀流、非均匀流态的过水断面中无死水、回流和畅流的河渠流量在线计量，其特征在于，施测水位与垂线流速仪安装于同一浮体中，包括以下步骤：

A.确定两条施测垂线的位置C1和C2，即在测流断面上选择两条进行流速测量的位置C1和C2；

B.测量两个垂线位置C1、C2的垂线流速V1、V2；

C.利用垂线流速模型逆向计算得到对应于V1、V2的虚拟能坡S1和 S2，计算两者能坡差；

D.根据河渠流量测验规范规定要求，在测流断面上选择若干条测流垂线，垂线位置C1左岸一侧各垂线的能坡取为S1，垂线位置C2右岸一侧各垂线的能坡取为S2，垂线位置C1、C2之间各垂线的能坡按S1、S2能坡差，用线性内插法计算能坡；

E.利用各垂线所得到的能坡，代入垂线流速模型，计算各垂线平均流速；

F.根据各垂线平均流速，用部分流速—面积法算出断面总流量；其中，所述垂线流速模型，是将垂线套入与该垂线水深相等、水面宽等于实测水面宽的矩形过水断面中，根据矩形断面中垂线流速公式，算出矩形断面中的垂线平均流速；然后再将垂线套入高与该垂线水深相等，宽与实测水面宽相等的三角形过水断面中，用三角形断面中垂线流速公式算出三角形断面中该垂线平均流速；根据所述两垂线流速以及夹在矩形断面和三角形断面之间的不过水面积，用内插法算出实际垂线流速。所述两条施测垂线流速的位置C1、C2可以分别选在中泓两侧畅流区任意位置；在步骤B中，测量垂线位置C1和C2的流速，可以采用国标河流流量测验规范GB50179 —93中所规定的方法进行测量，即可以采用一点法、二点法、三点法或五点法测量，或用单波束流速仪测量；在步骤F中所采用的部分流速—面积法是采用国标河流流量测验规范GB50179—93中所规定的部分流速—面积法。

所述垂线流速模型为水位(过水断面积)、能坡已知时，把实测垂线流速的垂线套入与该垂线水深相同、宽与实测水面宽相等的矩形过水断面中，根据矩形断面垂线流速公式，算出矩形断面中的垂线流速；然后再把垂线套人与垂线水深相等，顶宽与实测水面宽相等的三角形断面中，根据三角形断面中垂线流速公式算出三角形断面中的垂线流速；根据所述两个垂线流速以及夹在矩形地面和三角形断面之间的不过水面积为全重，用内插法算出实际垂线流速。

所述矩形断面中垂线流速公式为：

其中：u为矩形断面中垂线流速；

u

u

α为与矩形断面宽深比有关的系数；

n为糙率；

R

R

S为能坡。

所述三角形断面中垂线流速公式为：

其中：v为三角形断面中垂线流速；

v

v

β为与三角形边坡系数有关的流速系数；

n为糙率；

R

R

S为能坡。

上述公式中，矩形过水断面中，垂线流速系数，与宽深比关系如图2 所示；三角形过水断面中，垂线流速系数，与三角形边坡系数如图3所示，其中，H为矩形或三角形断面的水深，B为水面宽，X为垂线至左岸距离。

所述的内插法采用的公式为：

其中：U为实际垂线流速；

u

u

v

v

f

f

F

F

以上公式中，涉及到了糙率，对于测流河渠，糙率取值会有所不同，如图4和图5所示，砂子、卵石、粘土等有各自分布区域，所述的糙率是用下述公式计算。

所述的糙率是采用下述公式计算的：

其中：n为糙率，是河道中沿断面宽、以过水面积为权重不同糙率加权平均值；

n

n

Δn是河道中沿断面宽相邻糙率差；

n

L

所述两条实测垂线流速的位置C1和C2，是流体的中泓两侧畅流区任意位置；按河渠流量测验规范要求，根据如权利要求6所述两条施测两条垂线的流速，用垂线流速模型进行逆运算，计算虚拟能坡，并按照如权利要求1中步骤D、E、F操作，最后用部分流速—面积法得到全断面流量；在河渠中泓两侧畅流区任意起点据位置C1、C2，选择两条实测流速垂线，采用上述步骤B至步骤C，得到对应于该两条的两个虚拟能坡S1、S2和两者能坡差；河渠左岸各垂线对应采用能坡，左岸取为S1，右岸取为S2；所述起点据位置C1、C2，其间各垂线对应能坡，用线性内插法求得，把所求能坡代入垂线流速模型，求出各垂线平均流速，最后用部分流速—面积法算出断面总流量。

具体实施方式：如图1至图5所示，本发明提供虚拟二线能坡河渠流 量测流法，适用于江河、明渠流量在线检测，为了说明方便，首先说明本 发明两线虚拟能坡流量计将要用到的垂线流速模型。如图1所示，所述垂 线流速模型，是将该垂线套入一相同水深、水面宽等于实测水面宽的矩形 断面中，即附图所示的矩形ABCD中，根据矩形断面垂线流速公式算出矩 形断面中的垂线流速；再将垂线套入顶部水深与垂线水深相等、水面宽等 于实测水面宽的三角形断面中，即附图所示得三角形AED，根据三角形断 面中垂线流速公式算出三角形断面中垂线流速；将矩形断面与三角形断面 重合，形成如图1所示状态，然后根据所述的两个垂线流速以及夹在矩形 断面与三角形断面之间的不过水面积，即图1中阴影部分，用内插法算出 实际的垂线流速。

目前，当河渠水流条件接近均匀流时，则可以通过过水断面中任意起点位置的实测垂线流速，用垂线流速模型逆运算方法，计算水面比降法，即一线能坡法，但实际情况下的河渠水流很难满足均匀流条件，不宜采用一线能坡法河段主要有三种：一是弯道河段不宜；二是在多孔闸引、排水河段中不宜(或把测流断面选在闸孔上游或下游数倍河道宽度的地方，具体位置应是垂线流速沿断面宽分布形状与倒置的过水断面形状近似的地方)；三是天然河道中，丰枯水位变幅大，受水下地形影响，中泓位置随水位变化发生摆动，为保证测流精度，不宜采用一线能坡测流法，因此垂线流速沿断面宽分布形状是否相似是判断能否采用一线能坡测流法的重要直观条件。当河渠水流条件不符合均匀流条件，除了上述的一线能坡法中的不宜三种情况外，甚至有扩散、收缩、倒底坡、倒水面比降(动能转化为势能)和大漫滩等情况的发生，即可在在中泓两侧任意起点距位置实测两条垂线流速，用垂线流速模型逆运算的方法，计算两个虚拟的水面比降，即为两线能坡法，接着用数学插值法，计算任意起点距位置的能坡和相对应的垂线流速，所以虚拟二线能坡法适用范围更广，计算数值更加准确。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。