一种渠道流量的获取方法
【专利摘要】本发明公开了一种渠道流量的获取方法，属于农田灌溉领域。该方法包括：测量目标渠道的上游水深实测值和下游水深实测值；对其上游的渠道流量和地表水入渗率进行预设，分别获取两者的预设值；将上游水深实测值、上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值代入圣维南方程组中，求解得到目标渠道的下游水深模拟值；当下游水深模拟值与下游水深实测值的相对误差小于等于预设阈值时，则获取可行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率；反之，则对上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值进行优化，重复上述过程，直至两者之间的相对误差小于等于预设阈值，获取两个可行结果，并可获取目标渠道任意测点的渠道流量。该方法成本低廉、省时省力且高效准确。
【专利说明】
_种渠道流量的获取方法
技术领域
[0001] 本发明涉及农田灌溉领域，特别涉及一种渠道流量的获取方法。
【背景技术】
[0002] 通过灌溉渠系输配水进行地面灌溉是目前应用最为广泛的一种农田灌溉方式。灌 溉渠系一般由多级灌溉渠道构成，基于对各级灌溉渠道的灌溉需求不同，即其渠道中水流 量的大小不同，所以，为了实现高效灌溉并同时达到节水的目的，对于渠道流量的测量十分 重要。
[0003] 现有技术通常使用流量计测量渠道流量或者利用水工建筑物测量渠道流量。在利 用流量计测量的过程中，虽然其测量方便快捷，但是为了实现精确测量，通常使用昂贵的超 声波流速仪。在利用水工建筑物测量的过程中，需要在灌溉渠道的特定测点处修建诸如节 制闸、分水闸等水工建筑物。
[0004] 发明人发现现有技术至少存在以下技术问题：
[0005] 现有技术使用的超声波流速仪成本较高，而修建水工建筑物则会浪费大量的人力 与物力。
【发明内容】
[0006] 本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种成本低廉、省时省力且高效 准确的渠道流量的获取方法。具体技术方案如下：
[0007] -种渠道流量的获取方法，所述方法包括：
[0008] 步骤a、测量目标渠道的上游水深和下游水深，以获取所述目标渠道的上游水深实 测值和下游水深实测值。
[0009] 步骤b、对所述目标渠道上游的渠道流量和所述目标渠道的地表水入渗率进行预 设，获取上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值。
[0010] 步骤c、将所述上游水深实测值、所述上游渠道流量预设值和所述地表水入渗率预 设值代入圣维南方程组中，求解得到所述目标渠道的下游水深模拟值。
[0011] 步骤d、将所述下游水深模拟值与所述下游水深实测值进行比较，当两者的相对误 差小于等于预设阈值时，则确定所述上游渠道流量预设值和所述地表水入渗率预设值为可 行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率。
[0012] 当两者的相对误差大于所述预设阈值时，则对所述上游渠道流量预设值和所述地 表水入渗率预设值进行优化，并利用优化后的上游渠道流量和地表水入渗率再次进行所述 步骤c，直至所获得的下游水深模拟值与所述下游水深实测值之间的相对误差小于等于所 述预设阈值，并将此时优化得到的上游渠道流量和地表水入渗率作为可行的上游渠道流量 和可行的地表水入渗率。
[0013] 步骤e、根据所述可行的上游渠道流量和所述可行的地表水入渗率，获取所述目标 渠道任意测点处的渠道流量。
[0014] 具体地，作为优选，所述步骤a中，通过将水尺竖直放置在所述目标渠道的上游和 下游处，来获取所述目标渠道的上游水深实测值和下游水深实测值。
[0015] 具体地，作为优选，所述步骤c包括:将所述圣维南方程组重新表达，获得所述圣维 南方程组的离散表达式。
[0016] 将所述上游水深实测值、所述上游渠道流量预设值和所述地表水入渗率预设值代 入所述圣维南方程组的离散表达式中，求解得到所述目标渠道的下游水深模拟值。
[0017] 其中，所述圣维南方程组如下所示：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中，X为所述目标渠道任意测点与所述目标渠道上游之间的距离，单位为m;t为 所述目标渠道被观测时刻为零点的时间坐标，单位为s;A为所述目标渠道任意测点处的过 水断面的面积，单位为m 2，且A= tan0 X h2+wh，w为所述目标渠道的底面宽度，单位为m，h为所 述目标渠道任意测点处的水深，单位为m，Θ为所述目标渠道的两侧坡面与垂直方向的夹角； Q为所述目标渠道任意测点处的渠道流量，单位为m3/s; g为重力加速度，单位为m/s2; ζ为水 面高程，单位为m，且G = Zb+h，Zb为所述目标渠道任意测点处的渠底的相对高程，单位为m;n 为曼宁糙率，单位为s/mV3，经验值为0.001-0.1; I为地表水入渗率，单位为m/s; R为水力半 径，且R=A/P，其中，P为湿周，单位为m; nt为针对所述t得到的时间离散节点，i针对所述X得 到的空间离散节点，i+1/2为空间离散节点i与i+Ι之间的中点，i-1/2为空间离散节点i-Ι与 i之间的中点。
[0024] 具体地，作为优选，所述步骤d中，通过如下计算公式获取所述下游水深模拟值与 所述下游水深实测值的相对误差。
[0025]
[0026]其中，ARE为所述相对误差;hc为所述下游水深模拟值，单位为m;hd为所述下游水深 实测值，单位为m。
[0027]具体地，作为优选，所述步骤d中，通过遗传算法对所述上游渠道流量预设值和所 述地表水入渗率预设值进行优化。
[0028] 具体地，作为优选，所述预设阈值小于等于1.5%。
[0029] 具体地，作为优选，所述预设阈值小于1%。
[0030] 具体地，作为优选，所述步骤e中，根据所述可行的上游渠道流量和所述可行的地 表水入渗率，通过如下公式，获取所述目标渠道任意测点处的渠道流量：
[0031] Qu〇 = IkXL+Qx
[0032] 其中，Quq为可行的上游渠道流量，亦即为最终确定的上游渠道流量预设值，单位为 m3/s; Qx为目标渠道任意测点处的渠道流量，单位为m3/s; Ik为可行的地表水入渗率，亦即为 最终确定的地表水入渗率预设值，L为任意测点与目标渠道上游之间的距离，单位为m。
[0033] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0034] 本发明实施例提供的渠道流量的获取方法，其基于实际测量得到的目标渠道的上 游水深和下游水深，将该上游水深实测值、上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值代 入圣维南方程组中，求解得到目标渠道的下游水深模拟值，并将该下游水深模拟值与下游 水深实测值进行比较，当两者的相对误差小于等于预设阈值时，说明该上游渠道流量预设 值和地表水入渗率预设值为可行的，反之则对上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值 进行优化，直至其可行。通过上述得到的可行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率，即可 计算得到目标渠道任意测点处的渠道流量。该方法无需使用的昂贵的流量计，且不需要修 建水工建筑物，其仅仅通过测量上下游的水深即可获得目标渠道的渠道流量，成本低廉、省 时省力且高效准确。
【附图说明】
[0035] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他 的附图。
[0036] 图1是本发明实施例提供的目标渠道沿水流方向上的剖面图；
[0037] 图2是本发明又一实施例提供的具有矩形断面的渠道的剖面图；
[0038] 图3是本发明又一实施例提供的具有梯形断面的渠道的剖面图；
[0039] 图4是本发明又一实施例提供的一种渠道流量的获取方法的流程图；
[0040] 图5是本发明又一实施例提供的矩形断面渠道中，上游渠道流量的模拟值与实测 值随时间的变化曲线图；
[0041] 图6是本发明又一实施例提供的梯形断面渠道中，上游渠道流量的模拟值与实测 值随时间的变化曲线图。
[0042]其中，附图标记分别表示：
[0043] h〇 上游水深实测值，
[0044] hd 下游水深实测值，
[0045] I 地表水入渗率，
[0046] h 渠道任意测点处的水深，
[0047] W 渠底宽度，
[0048] Θ 渠道两侧坡面与垂直方向的夹角。
【具体实施方式】
[0049] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
[0050] 本发明提供了一种渠道流量的获取方法，该方法包括：
[0051 ] 步骤101、测量目标渠道的上游水深和下游水深，以获取目标渠道的上游水深实测 值和下游水深实测值。
[0052] 步骤102、对目标渠道上游的渠道流量和目标渠道的地表水入渗率进行预设，获取 上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值。
[0053] 步骤103、将上游水深实测值、上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值代入圣 维南方程组中，求解得到目标渠道的下游水深模拟值。
[0054] 步骤104、将下游水深模拟值与下游水深实测值进行比较，当两者的相对误差小于 等于预设阈值时，则确定上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值为可行的上游渠道流 量和可行的地表水入渗率。
[0055] 当两者的相对误差大于预设阈值时，则对上游渠道流量预设值和地表水入渗率预 设值进行优化，并利用优化后的上游渠道流量和地表水入渗率再次进行步骤103,直至所获 得的下游水深模拟值与下游水深实测值之间的相对误差小于等于预设阈值，并将此时优化 得到的上游渠道流量和地表水入渗率作为可行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率。
[0056] 步骤105、根据可行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率，获取目标渠道任意测 点处的渠道流量。
[0057] 本发明实施例提供的渠道流量的获取方法，其基于实际测量得到的目标渠道的上 游水深和下游水深，将该上游水深实测值、上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值代 入圣维南方程组中，求解得到目标渠道的下游水深模拟值，并将该下游水深模拟值与下游 水深实测值进行比较，当两者的相对误差小于等于预设阈值时，说明该上游渠道流量预设 值和地表水入渗率预设值为可行的，反之则对上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值 进行优化，直至其可行。通过上述得到的可行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率，即可 计算得到目标渠道任意测点处的渠道流量。该方法无需使用的昂贵的流量计，且不需要修 建水工建筑物，其仅仅通过测量上下游的水深即可获得目标渠道的渠道流量，成本低廉、省 时省力且高效准确。
[0058] 具体地，本发明实施例中所述的"上游"和"下游"分别指的是目标渠道的渠首位置 和渠尾位置。目标渠道的上游水深实测值指的是目标渠道的上游水面与渠底之间的高度 差，例如其为图1中所示的h u;目标渠道的下游水深实测值指的是目标渠道的下游水面与渠 底之间的高度差，例如其为图1中所示的hd;图1中的I为目标渠道的地表水入渗率，h为目标 渠道任意测点处的水深。在本发明实施例中，该目标渠道的上游水深实测值和下游水深实 测值可以通过使用液位计、测深锤、测深杆、水尺等工具来测量得到。基于操作简便快捷的 目的，优选将水尺竖直放置在目标渠道的上游和下游位置处，通过读取水尺位于水面处的 刻度来获取目标渠道的上游水深实测值和下游水深实测值。
[0059] 在获取目标渠道的上游水深实测值和下游水深实测值之后，通过步骤102来对目 标渠道上游的渠道流量和目标渠道的地表水入渗率进行预设，即估算目标渠道位于上游位 置处的渠道流量以及目标渠道的平均地表水入渗率。在此过程中，主要根据技术人员的经 验来预设这两个值，以提高上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值的可行性。
[0060] 进一步地，本发明实施例基于前述步骤得到的数据，通过步骤103来获取目标渠道 的下游水深模拟值。具体地，步骤103包括:将圣维南方程组重新表达，获得圣维南方程组的 离散表达式。将上游水深实测值、上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值代入圣维南 方程组的离散表达式中，求解得到目标渠道的下游水深模拟值。
[0061] 其中，圣维南方程组如下所示：
[0062]
[0063]
[0064] 其中，X为目标渠道任意测点与目标渠道上游之间的距离，单位为m;t为目标渠道 被观测时刻为零点的时间坐标，单位为s;A为目标渠道任意测点处的过水断面的面积，单位 为m 2,且A = tan0Xh2+wh，w为目标渠道的底面宽度，单位为m，h为目标渠道任意测点处的水 深，单位为m，Θ为目标渠道的两侧坡面与垂直方向的夹角;Q为目标渠道任意测点处的渠道 流量，单位为m 3/s ; g为重力加速度，单位为m/s2; ζ为水面高程，单位为m，且ζ = Zb+h，Zb为目 标渠道任意测点处的渠底的相对高程，单位为m;n为曼宁糙率，单位为s/m1/3,经验值为 0.001-0.1; I为地表水入渗率，单位为m/s; R为水力半径，且R = A/P，其中，P为湿周，单位为 m〇
[0065] 过水断面的面积A可根据A = tan0Xh2+wh进行计算，其中，如图2和图3所示，Θ为渠 道两侧坡面与垂直方向的夹角，w为渠底宽度。举例来说，当渠道的剖面为矩形时，如图2所 示，渠道两侧坡面与垂直方向的夹角Θ为0°，过水断面的面积A = wh。当渠道的剖面为梯形 时，如图3所示，渠道两侧坡面与垂直方向的夹角Θ大于〇°，过水断面的面积A = tan0 Xh2+ wh〇
[0066] 具体地，上述的ζ为水面高程，一般选择比整条渠道的底部低的某一水平面作为基 准面，如图1所示。那么，e=zb+h中的Z b为目标渠道任意测点处的渠底与基准面之间的相对 高度，h为目标渠道测点处的水深。
[0067] 由上述可知，圣维南方程组建立在连续的时间与空间坐标轴上，如此难以被求解。 为了方便快捷地对其进行求解，本发明实施例对圣维南方程组重新表达，以使用数值方法 将圣维南方程组所在的时间与空间区域进行离散，获得圣维南方程组的离散表达式。如此 即可实现方便地对圣维南方程组进行求解。
[0068] 所获得的圣维南方程组的离散表达式如下所示：
[0069]
[0070]
[0071] 具中，nt为针对t得到的时丨日」呙敢节点，i针对x得到的空间离散节点，i+1/2为空间 离散节点i与i+Ι之间的中点，i-1/2为空间离散节点i-Ι与i之间的中点。
[0072] 如上所示，具体地，时间可以被离散成0、1、2、3、……、m、nt+l等有限个，例如10-30 个时间离散节点，空间也被离散成〇、1、2、3、……、i、i+Ι等有限个，例如10-30个空间离散节 点。相邻两个时间离散节点之间的时间差就是时间步长At，相邻两个空间离散节点之间的 距离就是空间步长A X。在所取的时间步长△ t均保持一致，且所取的空间步长△ X均保持一 致的条件下，可以利用有限体积法将任意时间离散节点m和任意空间离散节点i下所对应 的目标渠道的过流断面面积和渠道流量求解出来。在利用有限体积法进行数值求解过程中 涉及的初始条件、边界条件等的选择采用本领域的常规技术手段即可。
[0073]举例来说，可以设定目标渠道上游处的空间节点与时间节点的坐标（i，nt)为(0， 〇)，并预设目标渠道上游位置处的上游渠道流量预设值为Qo，目标渠道的地表水入渗率预 设值为1〇,设定重力加速度g为9.8m/s 2,获取目标渠道上游处的水面高程，确定曼宁糙率的 经验值，获取目标渠道上游处的水力半径及渠底的相对高程，利用上述数据代入圣维南方 程组的离散表达式中，计算得到目标渠道的上游处的过水断面的面积为Ao,目标渠道的地 表水入渗率为I Q。然后，将上游渠道流量预设值QQ、目标渠道的上游处的过水断面的面积A0 及地表水入渗率Io代入圣维南方程组的离散表达式中，获取在邻近的时空节点（1，1)处的 渠道流量模拟值为Qi、过水断面的面积六:、地表水入渗率模拟值I 1;同样的，将节点（I，1)处 的渠道流量模拟值为Q1、过水断面的面积A1、地表水入渗率模拟值1:代入圣维南方程组的离 散表达式中，获取邻近的节点(2，2)处的渠道流量模拟值为Q 2、过水断面的面积知、地表水入 渗率模拟值I2，依次类推，可获得目标渠道下游渠道流量模拟值Q。、下游过水断面的面积A。、 下游地表水入渗率模拟值I。。进一步地，根据下游过水断面的面积A。及渠底宽度w得到下游 水深模拟值。
[0074]在获取了目标渠道的下游水深模拟值后，为了验证上游渠道流量预设值和地表水 入渗率预设值是否接近于其实际值，本发明实施例通过步骤104来获取下游水深模拟值与 下游水深实测值的相对误差。具体地，该相对误差的计算公式如下；
[0075]
[0076] 其中，ARE为相对误差;h。为下游水深模拟值，单位为m;hd为下游水深实测值，单位 为m〇
[0077] 通过计算下游水深模拟值与下游水深实测值的相对误差可以反应出上游渠道流 量预设值和地表水入渗率预设值是否为可行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率，这一 计算过程为保证本发明实施例提供的方法获取高精度的渠道流量奠定了基础。
[0078] 在获取下游水深模拟值与下游水深实测值的相对误差之后，将其与预设阈值进行 比较，其中，预设阈值的大小由所期望达到的流量精度来确定，一般情况下，预设阈值小于 等于1.5%，作为优选，预设阈值小于1%，例如可以设置为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%等。
[0079] 当下游水深模拟值与下游水深实测值的相对误差小于等于预设阈值时，此时可以 确定步骤102中所估算的上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值接近其实际值，为可 行的。反之，如若下游水深模拟值与下游水深实测值的相对误差大于预设阈值时，则说明步 骤102中所估算的上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值与其实际值偏差很大，此时 需要在首次估算的上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值的基础上，对它们进行调整 优化，再次估算并获得上游渠道流量的第二预设值和地表水入渗率第二预设值，然后将再 次估算的两者与上游水深实测值一并代入圣维南方程组的离散表达式中再次求解目标渠 道的下游水深模拟值，直至所获得的下游水深模拟值与下游水深实测值的相对误差小于等 于预设阈值时为止。
[0080] 具体地，步骤104中，通过遗传算法对上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值 进行优化。可以理解的是，所述的遗传算法为一种常见的数据计算模型，通过使用遗传算法 对上游渠道流量预设值和地表水入渗率进行优化，能够高效地获得高精度的可行的上游渠 道流量和可行的地表水入渗率。
[0081] 具体地，采用遗传算法进行优化的过程为：当获得的下游水深模拟值与下游水深 实测值之间的相对误差大于预设阈值时，需要将此时的上游渠道流量预设值和地表水入渗 率预设值输入事先预置的遗传算法优化软件程序中，遗传算法优化软件程序首先对上游渠 道流量预设值和地表水入渗率预设值进行编码处理，并随机产生多个上游渠道流量预设值 编码串个体及地表水入渗率预设值编码串个体。之后将多个上游渠道流量预设值编码串个 体及地表水入渗率预设值编码串个体处理得到对应的表现型（即二进制编码），并将多个上 游渠道流量预设值编码串个体的表现型及地表入渗率模拟值编码串个体的表现型依次代 入圣维南方程组，直到得到符合其ARE值小于预设阈值时的下游水深模拟值，将此时获取的 可行的上游渠道流量、可行的地表水入渗率、下游水深模拟值转换成十进制数，输出结果。
[0082] 具体地，步骤105中，根据可行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率，通过如下 公式，获取目标渠道任意测点处的渠道流量：
[0083] Qu〇 = IkXL+Qx
[0084] 其中，Quq为可行的上游渠道流量，亦即为最终确定的上游渠道流量预设值，单位为 m3/s; Qx为目标渠道任意测点处的渠道流量，单位为m3/s; Ik为可行的地表水入渗率，亦即为 最终确定的地表水入渗率预设值，L为任意测点与目标渠道上游之间的距离，单位为m。
[0085] 基于上述可知，本发明实施例提供的方法的操作流程可参见图4所示的流程图。由 此可见，本发明实施例提供的方法仅仅通过测量上下游的水深即可获得目标渠道上任意测 点的渠道流量，具有成本低廉、省时省力且高效准确的特点。
[0086] 以下将通过具体实施例进一步地描述本发明。
[0087] 实施例1
[0088]本实施例以河北冶河灌区一长度为1000米，具有矩形断面的渠道为例，采用本发 明实施例提供的方法获取其渠道流量。其中，该矩形断面渠道的一些基本参数有:渠底宽度 为3.97m，糙率系数η取0.022s . nfV3，重力加速度g为9.8m/s2，上游渠底的相对高程Zb为 0.5m，渠道上游水力半径R的预设值为0.86m。具体地，利用本发明实施例提供的方法获取渠 道流量的过程如下：
[0089] 步骤101、采用水尺测量该矩形断面渠道的上游水深和下游水深，获取其上游水深 实测值h u为1.5 Im，下游水深实测值hd为1.33m。
[0090] 步骤102、对矩形断面渠道上游的渠道流量和矩形断面渠道的地表水入渗率进行 预设，获取其上游渠道流量预设值Qo为5.98m 3/s，地表水入渗率预设值Io为0.0 OOlmVs。
[0091] 步骤103、将上述上游水深实测值hu、上游渠道流量预设值Qo和地表水入渗率预设 值Io及提供的矩形断面渠道的其他参数代入圣维南方程组的离散表达式中，求解得到矩形 断面渠道的下游水深模拟值h。为1.334m。其中，圣维南方程组的离散表达式如下所示：
[0092]
[0093]
[0094] 其中，X为目标渠道任意测点与目标渠道上游之间的距离，单位为m;t为目标渠道 被观测时刻为零点的时间坐标，单位为s;A为目标渠道任意测点处的过水断面的面积，单位 为m 2,且A = tan0Xh2+wh，w为目标渠道的底面宽度，单位为m，h为目标渠道任意测点处的水 深，单位为m，Θ为目标渠道的两侧坡面与垂直方向的夹角;Q为目标渠道任意测点处的渠道 流量，单位为m 3/s ; g为重力加速度，单位为m/s2; ζ为水面高程，单位为m，且ζ = Zb+h，Zb为目 标渠道任意测点处的渠底的相对高程，单位为m;n为曼宁糙率，单位为s/m1/3,经验值为 0.001-0.1; I为地表水入渗率，单位为m/s; R为水力半径，且R = A/P，其中，P为湿周，单位为 为针对t得到的时间离散节点，i针对X得到的空间离散节点，i+1/2为空间离散节点i与 i+Ι之间的中点，i-1/2为空间离散节点i-Ι与i之间的中点。
[0095] 步骤104、将下游水深模拟值h。与下游水深实测值hd进行比较，并计算得到两者的 相对误差值为〇 . 3%，其小于预设阈值1 %时，则确定上游渠道流量预设值Qo和地表水入渗 率预设值Io为可行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率。
[0096] 步骤105、根据可行的上游渠道流量和可行的地表水入渗率，获取矩形断面渠道上 任意测点处的渠道流量，其中，该渠道流量通过如下公式计算得到：
[0097] Qu〇 = IkXL+Qx
[0098] 其中，Quq为可行的上游渠道流量，亦即为最终确定的上游渠道流量预设值，单位为 m3/s; Qx为目标渠道任意测点处的渠道流量，单位为m3/s; Ik为可行的地表水入渗率，亦即为 最终确定的地表水入渗率预设值，L为任意测点与目标渠道上游之间的距离，单位为m。
[0099] 实施例2
[0100] 本实施例以新疆生产建设兵团222团一长度为1000米，具有梯形断面的渠道为例， 采用本发明实施例提供的方法获取其渠道流量。其中，该渠道的一些基本参数有:渠底宽度 为2.45m，渠道两侧坡面与垂直方向的夹角为30°，糙率系数η取0.22s · πΓ1/3,重力加速度g 为9.8m/s2，上游渠底的相对高程Zb为0.6m，上游水力半径R的预设值为1.27m。
[0101] 具体地，利用本发明实施例提供的方法获取其上游渠道流量的过程同实施例1中 的方法。所不同的是:该梯形断面渠道的上游水深实测值h u为2.78m，下游水深实测值hd为 2.30m，上游渠道流量预设值Qo为7.81m3/s，地表水入渗率预设值Io为0.0 OOlmVs。将上述上 游水深实测值hu、上游渠道流量预设值Qo和地表水入渗率预设值Io及提供的梯形断面渠道 的其他数据代入圣维南方程组的离散表达式中，求解得到梯形断面渠道的下游水深模拟值 hc为2.346m。之后计算下游水深模拟值h。与下游水深实测值hd之间的相对误差为2%，其大 于预设阈值1%。此时，对上游渠道流量预设值Qo和地表水入渗率预设值Io进行优化，并利用 优化后的上游渠道流量和地表水入渗率再次重复上述获取下游水深模拟值的步骤，直至所 获得的下游水深模拟值与下游水深实测值之间的相对误差小于预设阈值1%，并将此时优 化得到的上游渠道流量和地表水入渗率作为可行的上游渠道流量Q uq和可行的地表水入渗 率Ik。最后，根据最终确定的上游渠道流量预设值Quq和最终确定的地表水入渗率预设值I k， 获取该具有梯形断面渠道任意测点处的渠道流量。
[0102] 实施例3
[0103] 本实施例对实施例1及实施例2中最终确定的可行的上游渠道流量预设值的模拟 精度进行评价，具体评价过程如下：
[0104] 步骤201、利用实施例1及实施例2的提供的方法，在24h内每隔2h分别获取矩形断 面渠道及梯形断面渠道的最终确定的可行的上游渠道流量预设值，并将其作为上游渠道流 量的模拟值。
[0105] 步骤202、利用超声波流量计分别获取相应的矩形断面渠道及梯形断面渠道的上 游渠道流量，作为上游渠道流量的实测值。
[0106] 步骤203、以进行上述获取过程的时间作为X轴，以在不同获取时间下所得到的上 游渠道流量(包括其模拟值和实测值)作为y轴，得到在进行上述获取过程的时间内，所得到 的上游渠道流量的模拟值与实测值的变化曲线图。附图5为针对矩形断面渠道得到的上游 渠道流量的模拟值与实测值的变化曲线图。
[0107] 同样地，针对具体梯形断面的渠道，在进行上述获取过程的时间内，所得到的上游 渠道流量的模拟值与实测值的变化曲线图如附图6所示。
[0108] 由附图5可知，矩形断面渠道的上游渠道流量的模拟值与实测值极为接近，由附图 6可知，梯形断面渠道的上游渠道流量的模拟值与实测值极为接近，可见，本发明实施例提 供的渠道流量的获取方法具有较高的模拟精度。
[0109] 进一步地，本实施例还进行了步骤204、计算上游渠道流量的模拟值与实测值之间 的误差。
[0110]其中，在每次获取过程中，所得到的上游渠道流量的模拟值与实测值之间的相对 误差公式如下所示：
[0111]
[0112]进一步地，通过下述公式对多次获取过程中得到的多个相对误差进行平均，获取 平均误差：
[0113]
[0114] 其中，Ej为每次获取的上游渠道流量的模拟值与实测值之间的相对误差;^为多 次获取得到的多个相对误差的平均值，即平均误差;Q j为第j次获取的最终确定的上游渠道 流量预设值，即模拟值，j = 1，2，……，N，单位为m3/s; Qcij为第j次获取的上游渠道流量实测 值，即实测值，单位为m3/s;N为获取上游渠道流量的模拟值或实测值的次数，N=I，2， 3,……，13〇
[0115] 针对矩形断面渠道，所得到的上游渠道流量的模拟值与实测值之间的误差数据如 表1所示：
[0116] 表1
[0119] 由表1可知，矩形断面渠道的上游渠道流量的模拟值与实测值之间的相对误差及 平均误差均小于1%，可见，本发明实施例提供的渠道流量的获取方法具有较高的模拟精 度。
[0120] 针对梯形断面渠道，所得到的上游渠道流量的模拟值与实测值之间的误差数据如 表2所示：
[0121] 表2
[0123] 由表2可知，梯形断面渠道的上游渠道流量的模拟值与实测值之间的相对误差及 平均误差均小于1%，可见，本发明实施例提供的渠道流量的获取方法具有较高的模拟精 度。
[0124] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0125] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
【主权项】
1. 一种渠道流量的获取方法，其特征在于，所述方法包括： 步骤a、测量目标渠道的上游水深和下游水深，W获取所述目标渠道的上游水深实测值 和下游水深实测值； 步骤b、对所述目标渠道上游的渠道流量和所述目标渠道的地表水入渗率进行预设，获 取上游渠道流量预设值和地表水入渗率预设值； 步骤C、将所述上游水深实测值、所述上游渠道流量预设值和所述地表水入渗率预设值 代入圣维南方程组中，求解得到所述目标渠道的下游水深模拟值； 步骤d、将所述下游水深模拟值与所述下游水深实测值进行比较，当两者的相对误差小 于等于预设阔值时，则确定所述上游渠道流量预设值和所述地表水入渗率预设值为可行的 上游渠道流量和可行的地表水入渗率； 当两者的相对误差大于所述预设阔值时，则对所述上游渠道流量预设值和所述地表水 入渗率预设值进行优化，并利用优化后的上游渠道流量和地表水入渗率再次进行所述步骤 C，直至所获得的下游水深模拟值与所述下游水深实测值之间的相对误差小于等于所述预 设阔值，并将此时优化得到的上游渠道流量和地表水入渗率作为可行的上游渠道流量和可 行的地表水入渗率； 步骤e、根据所述可行的上游渠道流量和所述可行的地表水入渗率，获取所述目标渠道 任意测点处的渠道流量。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a中，通过将水尺竖直放置在所述 目标渠道的上游和下游处，来获取所述目标渠道的上游水深实测值和下游水深实测值。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括:将所述圣维南方程组重新 表达，获得所述圣维南方程组的离散表达式； 将所述上游水深实测值、所述上游渠道流量预设值和所述地表水入渗率预设值代入所 述圣维南方程组的离散表达式中，求解得到所述目标渠道的下游水深模拟值； 其中，所述圣维南方程组如下所示：所述圣维南方程组的离散表达式如下所示：其中，X为所述目标渠道任意测点与所述目标渠道上游之间的距离，单位为m;t为所述 目标渠道被观测时刻为零点的时间坐标，单位为S ; A为所述目标渠道任意测点处的过水断 面的面积，单位为m2，且A=化ηθ X h2+wh，W为所述目标渠道的底面宽度，单位为m，h为所述目 标渠道任意测点处的水深，单位为m，Θ为所述目标渠道的两侧坡面与垂直方向的夹角;Q为 所述目标渠道任意测点处的渠道流量，单位为m3/s; g为重力加速度，单位为m/s2; C为水面高 程，单位为m，且C = Zb+h，Zb为所述目标渠道任意测点处的渠底的相对高程，单位为m;n为曼 宁糖率，单位为S/V/3，经验值为0.001-0.1; I为地表水入渗率，单位为m/s; R为水力半径，且 R = A/P，其中，P为湿周，单位为m;nt为针对所述t得到的时间离散节点，i针对所述X得到的 空间离散节点，i+1/2为空间离散节点i与i+1之间的中点，i-1/2为空间离散节点i-1与i之 间的中点。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d中，通过如下计算公式获取所述 下游水深模拟值与所述下游水深实测值的相对误差；其中，ARE为所述相对误差;h。为所述下游水深模拟值，单位为m;hd为所述下游水深实测 值，单位为m。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d中，通过遗传算法对所述上游渠 道流量预设值和所述地表水入渗率预设值进行优化。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设阔值小于等于1.5%。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设阔值小于1 %。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤e中，根据所述可行的上游渠道流 量和所述可行的地表水入渗率，通过如下公式，获取所述目标渠道任意测点处的渠道流量： Quo 二 Ik X L+Qx 其中，Quo为可行的上游渠道流量，亦即为最终确定的上游渠道流量预设值，单位为mV s;Qx为目标渠道任意测点处的渠道流量，单位为m3/s; Ik为可行的地表水入渗率，亦即为最 终确定的地表水入渗率预设值，L为任意测点与目标渠道上游之间的距离，单位为m。
【文档编号】G01F1/00GK105841753SQ201610363320
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】章少辉, 戴玮, 白美健, 刘群昌, 李福祥
【申请人】中国水利水电科学研究院