一种水文要素远程在线自动测报系统的制作方法

本发明涉及水文测验领域，尤其涉及一种水文要素远程在线自动测报系统。

背景技术：

传统的水位-流量测报，主要为船测、电动缆道，既浪费时间和人力，测验精度和质量也难以得到保证。特别是在河道测验断面上游新修水利工程后，改变了河流原有的特性，使常用的水文测验方法、仪器设备难以满足测报要求，甚至测验断面同时还受下游回水顶托的影响，用传统的测验手段无法控制断面的流量过程，比如位于湖北宜都境内的高坝洲水文站。近年来，通过不断的创新，研制了一套自动实时流量监测、报汛系统，不但流量精度高，报汛时效性得到质的飞跃。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种水文要素远程在线自动测报系统，利用水雨情远程实时在线系统进行自动测报，提高水文测验成果质量的同时，还可大大提高工作效率。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种水文要素远程在线自动测报系统，包括测量设备，所述测量设备采用水平式声学多普勒流速剖面仪，利用压电陶瓷作为换能器，向水流中发射脉冲声波，然后接收被水中颗粒物散射回来的声波；

数据接收端，接收所述测量设备所采集的指标流速，并存储；

数据传输通道，连接所述测量设备和所述数据接收端，并采用gprs或internet公网或移动专线，将数据发射至水情数据中心；

app数据显示，移动端app通过gprs网络登陆水情数据库，可随时查看实时测验的水文数据；

所述数据接收端包括数据处理，采集的指标流速与转子流速仪测量的流速进行比测，率定所述水平式声学多普勒流速剖面仪测量的指标流速与断面平均流速的相关关系；

流速仪测流断面测得的流量与水平式声学多普勒流速剖面仪比测断面的面积相除得到水平式声学多普勒流速剖面仪断面平均流速；将水平式声学多普勒流速剖面仪断面指标流速与水平式声学多普勒流速剖面仪断面相对应断面平均流速相关，建立水平式声学多普勒流速剖面仪断面平均流速vm与指标流速vi关系；

根据相关关系分析的需要，按照不同的测量单元剖面范围回放处理水平式声学多普勒流速剖面仪指标流速数据，建立了多组相关模型进行分析；

最终确定指标流速与断面平均流速的相关关系，将水平式声学多普勒流速剖面仪实测的指标流速推求断面平均流速，再将断面平均流速乘以过水断面面积得到实时流量；

其计算基本公式如下：

1)vm＝f(vi)，断面平均流速是指标流速的函数；

2)a＝f(h)，过水断面面积为水位的函数；

3)q＝a×vm，流量计算公式；

vm：断面平均流速，m/s；vi：指标流速或水平式声学多普勒流速剖面仪流速，m/s；h：水位，m；过水断面面积：m²；q：流量：m³/s。

进一步，还包括所述测量设备的安装控制；所述安装控制包括：水平式声学多普勒流速剖面仪安装位置河段控制、换能器声束测量范围内断面河床控制、换能器安装位置最小水深以及有效河床宽控制、纵摇和横摇角度控制。

进一步，所述水平式声学多普勒流速剖面仪安装位置河段控制包括以下步骤：

首先，横轴和流向宜基本垂直，通过流向测验，将换能器x轴与河道主流方向平行，便于安装换能器时有效微调横摇和纵摇的姿态角度，使采集的流速数据横向方向流速分量vy趋近于零、纵向方向流速分量vx更集中；

其次，测到主流区域，频率600khzh-adcp最大剖面范围为90m，为了便于挑选最佳指标流速，换能器测速剖面范围须将断面主流区域、深泓包括在90m测验剖面范围以内，换能器安装位置测到的相对水层多点流速应能反映河段平均流速，才能建立稳定的层流速与断面平均流速的关系；

最后，第三流场稳定，安装位置测验范围内河床不宜有倒坡；须避开回水、死水；流向集中；少漂浮物、碰撞物。

进一步，所述换能器声束测量范围内断面河床控制包括：所述换能器发射第一声束和第二声束，所述第一声束和所述第二声束通过频移原理测得相对水层流速，再改算为端面相对水层流速；

所述第一声束和所述第二声束测验时分别产生的第一回波强度和第二回波强度检验所述换能器安装位置以下的河床断面情况；

当第一回波强度和第二回波强度显示测量范围内主瓣完整，测得的数据改算成断面相对水层流速数据可靠；

当第一回波强度和第二回波强度线交叉，沿y轴若呈现固定尖峰脉冲，显示水平式声学多普勒流速剖面仪换能器以下检验范围内河床不相似或所述第二声束至河心测量距离30～90m处有凸起河床或其它障碍物，凸起河床或障碍物直接影响主瓣区的测速精度。

进一步，所述换能器安装位置最小水深以及有效河床宽控制，包括：

当所述第一声束和第二声束开角均为1.5度，声波发射量程长度每增加10m，声波主瓣区高度增加0.26m，按频率600khz,水平式声学多普勒流速剖面仪最大剖面90m宽度全量程计算，要全量程测到完整声波主瓣区流速层，声波主瓣区最远端高度为2.34m；

当所述第一声束和第二声束的声束角度均为20度，按最大测验剖面长度90m量程计算，要获得最大测验剖面长度90m量程有效测速数据，所述第一声束和第二声束的测验上、下游河床宽度为64.1m。

进一步，所述纵摇和横摇角度控制包括：换能器纵摇和横摇安装角度直接影响测速精度；x轴和水流方向平行，x轴附近测的是纵摇，角度应为零度；y轴和水流方向垂直，y轴附近测的是横摇，角度必须为零。

本发明的有益效果为：1)、探头安装平台与轨道采用电动垂直缆绳牵引滑行，快速省力，且能防止漂浮物或河流泥沙落淤出现卡死现象，增加了平台与滑槽的稳定性，上下运动灵活，且安装好后稳定性极高，换能器纵揺、横摇角度极小，且稳定无变化，安装稳定性、可靠性处于国内领先水平。

2)、安装控制中，要适合设备的特性，在河段选择、测验断面河床控制、最小水深要求和有效河床宽等各方面进行全面考虑，为测验精度打下坚实的保障基础。

3)、数据接收后，通过软件设置提前率定好的相关关系，自动处理生成正确的流量数据，无需人工再处理，自动化程度高，与转子式流速仪法对比测验分析精度高。

4)、通过远程对数据调取、上传，完成自动报汛，时效性大大提高，为防洪决策第一时间提供可靠的水文数据。

5)、系统设计合理，适用性强，建设及运行成本低，且操作简单、易于维护保养，该系统已正常投入使用1年以上，收集的资料真实可靠。

附图说明

图1为本发明的一种水文要素远程在线自动测报系统示意图；

图2侧壁式h-adcp换能器横断面方向y轴与水流方向x轴平面示意图；

图3侧壁式h-adcp换能器测验状况；

图4相似河床h-adcp回波强度示意图；

图5非对称河床h-adcp回波强度示意图；

图6h-adcp换能器声束开角示意图；

图7h-adcp最大测验剖面有效河床宽度示意图.

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种水文要素远程在线自动测报系统，系统完成水文要素测报全过程只需要几分钟时间既能完成数据收集、处理和上报，及时提供水情信息。

如图1所示，一种水文要素远程在线自动测报系统包括测量设备301，所述测量设备301采用h-adcp(水平式声学多普勒流速剖面仪)，利用压电陶瓷作为换能器1，向水流中发射脉冲声波，然后接收被水中颗粒物散射回来的声波；

其中，h-adcp利用压电陶瓷作为声学换能器，向水流中发射脉冲声波，然后接收被水中颗粒物散射回来的声波。流速测量换能器配置：双声束、±20°声束角，工作温度：-5～45℃，储存温度：-30～75℃，空气中重量：4.76kg，水中重量：2.0kg。依据声波脉冲频移，计算出水流的流速和流向，优化参数设置为：最小单元长度：0.5m；最大剖面范围：90m；盲区1.00m；单元数量180；盐度0；采样时间间隔60s；数据平均时段30s。

数据接收端302，接收所述测量设备所采集的指标流速，并存储；

其中，数据接收端302，采用rs232或rs-422，波特率9600数据传输。

数据传输通道303，连接所述测量设备和所述数据接收端，并采用gprs或internet公网或移动专线，将数据发射至水情数据中心；

其中，计算机上安装好厂家自带winh-adcpversion4.04英文版。

app数据显示304，移动端app通过gprs网络登陆水情数据库305，可随时查看实时测验的水文数据；

所述数据接收端包括数据处理端，采集的指标流速与转子流速仪测量的流速进行比测，率定h-adcp测量的指标流速与断面平均流速的相关关系；

流速仪测流断面测得的流量与h-adcp比测断面的面积相除得到h-adcp断面平均流速；将h-adcp断面指标流速与h-adcp断面相对应断面平均流速相关，建立h-adcp断面平均流速vm与指标流速vi关系；

根据相关关系分析的需要，按照不同的测量单元剖面范围回放处理h-adcp指标流速数据，建立了多组相关模型进行分析；

最终确定指标流速与断面平均流速的相关关系，将h-adcp实测的指标流速推求断面平均流速，再将断面平均流速乘以过水断面面积得到实时流量，全过程采用软件智能计算，其计算基本公式如下：

1)vm＝f(vi)，断面平均流速是指标流速的函数；

2)a＝f(h)，过水断面面积为水位的函数；

3)q＝a×vm，流量计算公式；

vm：断面平均流速，m/s；vi：指标流速或水平式声学多普勒流速剖面仪流速，m/s；h：水位，m；过水断面面积：m²；q：流量：m³/s。

整个系统中，测量设备的安装控制是最终得到高精度测验成果的基础和先决条件，各安装要素不到位，将造成指标流速数据不可靠，导致流量测验准确度降低。

还包括所述测量设备的安装控制；所述安装控制包括：水平式声学多普勒流速剖面仪安装位置河段控制、换能器声束测量范围内断面河床控制、换能器安装位置最小水深以及有效河床宽控制、纵摇和横摇角度控制。

所述水平式声学多普勒流速剖面仪安装位置河段控制包括以下步骤：

如图2所示，首先，横轴和流向宜基本垂直，通过流向测验，将换能器1x轴与河道主流方向平行，便于安装换能器1时有效微调横摇和纵摇的姿态角度，使采集的流速数据横向方向流速分量vy趋近于零、纵向方向流速分量vx更集中；

其次，测到主流区域，频率600khzh-adcp最大剖面范围为90m，为了便于挑选最佳指标流速，换能器1测速剖面范围须将断面主流区域、深泓包括在90m测验剖面范围以内，换能器1安装位置测到的相对水层多点流速应能反映河段平均流速，才能建立稳定的层流速与断面平均流速的关系；

最后，第三流场稳定，安装位置测验范围内河床不宜有倒坡；须避开回水、死水；流向集中；少漂浮物、碰撞物。

所述换能器声束测量范围内断面河床控制包括：所述换能器1发射第一声束101和第二声束102，所述第一声束101和所述第二声束102通过频移原理测得相对水层流速，再改算为端面相对水层流速；

如图3所示，其中，换能器1安装位置以下河床断面要相对稳定、对称或相似，流速测验精度才高。

所述第一声束101和所述第二声束102测验时分别产生的第一回波强度103和第二回波强度104检验所述换能器1安装位置以下的河床断面情况；

当第一回波强度103和第二回波强度104显示测量范围内主瓣完整，测得的数据改算成断面相对水层流速数据可靠；

当第一回波强度103和第二回波强度104线交叉，沿y轴若呈现固定尖峰脉冲，显示水平式声学多普勒流速剖面仪换能器以下检验范围内河床不相似或所述第二声束102至河心测量距离30～90m处有凸起河床或其它障碍物，凸起河床或障碍物直接影响主瓣区的测速精度。

所述换能器1安装位置最小水深以及有效河床宽控制，包括：

如图4和图6所示，当所述第一声束101和第二声束102开角均为1.5度，声波发射量程长度每增加10m，声波主瓣区201高度增加0.26m，按频率600khz,水平式声学多普勒流速剖面仪最大剖面90m宽度全量程计算，要全量程测到完整声波主瓣区201流速层，声波主瓣区201最远端高度为2.34m；

h-adcp换能器一般安装在历年平均水深60％处位置。为了保证两个声波主瓣区201在最大剖面90m宽度全量程以内不受损伤，主瓣区201量程范围不得触到河床底部，即h-adcp换能器岸边安装点水平高程必须高于河床1.17m。陡涨陡落河流要求h-adcp换能器安装在最低水位附近的，以h-adcp换能器声束波能测到主流区域代表河段平均流速为前提，再根据剖面宽度及主流区域河床高程计算确定h-adcp换能器岸边安装点位置。

在有效河床宽度和换能器安装位置满足最小水深前提下，须保证该河床范围流场稳定、能测到代表断面平均流速的主流区域等要素。

如图5和图7所示，当所述第一声束101和第二声束102的声束角度均为20度，按最大测验剖面长度90m量程计算，要获得最大测验剖面长度90m量程有效测速数据，所述第一声束101和第二声束102的测验上、下游河床宽度为64.1m。

所述纵摇和横摇角度控制包括：换能器纵摇和横摇安装角度直接影响测速精度；x轴和水流方向平行，x轴附近测的是纵摇，角度应为零度；y轴和水流方向垂直，y轴附近测的是横摇，角度必须为零。

如果h-adcp换能器安装位置特殊，出现下列情况，纵、摇角度可以放宽到±0.1°以内。

h-adcp换能器受声束开角限制，主瓣区201达不到有效测验量程就触及河面，宜将纵摇角度控制在0～-0.1°以内(水平向下倾斜)，且主瓣区201在有效测验量程内不能触及河床。若触及河床或障碍物，宜将纵摇角度控制在0～0.1°以内(水平向上倾斜)，且主瓣区201在有效测验量程内不能触及河面。

h-adcp换能器横摇角度只要不为零度，正、负横摇角度均造成第一声束101和第二声束102改变测量水层位置，第一声束101和第二声束102不在同一水层上，实测的水层断面指标流速不等于声束在水平状态下测得的指标流速，直接造成断面流量失真。

在h-adcp换能器安装中，任何一个要素出现误差，均会降低流速测验准确度。安装前，须对河道河势查勘、流场测验、h-adcp声束测验范围内断面测量、换能器安装点位置高程测算、纵横摇姿态角调整为零度等每一个环节控制到位，才能保证流速测验精度。

选择流态好、流速稳定的顺直河段修建一座栈桥，在栈桥上固定滑道，利用安装滑道在水下安装测流设备。经反复考察调研，h-adcp具有安装直接、操作简便、不扰动流场、可在线监测、稳定可靠等优点。先利用缆道流速仪法实测流量数据和h-adcp实测流速数据建立断面平均流速v与指标流速vi(水平式adcp实测流速)之间相关关系，即率定关系线或回归方程，进而推算断面流量。优化设置后，每5分钟自动完成一次断面流量测报，全天24小时在线监测，全过程无需一个操作人员，大大提高了测报水平。

本在线自动测报系统利用声学多普勒原理通过自动测定河流代表流层的指标流速的方式来进行流量测验，系统设计合理，具有不扰动流场、历时短、自动化程度高、实时性好等优点，可有效地解决受水利工程影响的河道流量测验问题，极大地减轻水文测验劳动强度，提高测验工作效率，且实现了流量自动报汛功能，大大提高了报汛的时效性。随着水文测验方式方法创新工作的进一步开展，以及水文测报在自动化、信息化的发展和需要，为该平台的推广应用提供了广阔前景，该系统具有很好的推广价值。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。