一种用于推求河流流量的代表流速合成方法与流程

1.本发明属于水文数据处理领域，涉及一种用于推求河流流量的代表流速合成方法。


背景技术：

2.河流流量是指单位时间内通过河流断面的水体体积，是河流最重要的水文要素特征之一。流量测验是日常水文监测的一项重要基础性工作，监测成果在公共水安全保障、生态环境治理中发挥不可替代的作用。然而，自然河流水文情势复杂，众多中小河流水情变化快，水环境情况多样，且高洪期间含沙量高、漂浮物多、水体紊动强烈，直接通过转子式流速仪多点多线法、走航式adcp法等传统的流速面积法测流较为困难，测验作业安全性不高，且难以实现流量在线监测。
3.近年来，流量的自动监测技术不断发展，各种形式的流量自动监测设备、方法投入实际生产应用，但仍存不足。在诸多流量自动监测的方法理论中，通过代表流速法推算河流流量，继而实现流量自动监测的方法，是目前流量自动监测的最主要方法之一。该方法主要通过自动监测测流断面水位、部分测点流速等水文要素，选取具有代表性的测点流速合成推流代表流速后，对比分析不同推流水位级下代表流速和实测断面平均流速的相关关系。确定该相关关系后，利用自动监测设备连续在线监测并计算得到代表流速，通过相关关系推算断面平均流速，再利用水位监测数据推算过水断面面积，进而得出河流流量。上述方法中，代表流速的合成是关键一环，目前普遍凭借人工经验选取合成代表流速的代表性测点，缺乏定量分析判断，随意性较大，不能很好的满足流量规范化、精准化监测的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决凭借人工经验选取合成代表流速的代表性测点随意性较大、不能很好的满足流量规范化精准化监测要求的问题，并提供一种用于推求河流流量的代表流速合成方法，在测点流速序列一致性变换的基础上，通过测点流速稳定性分析优选代表性测点，运用“单宽流量比较法”确定代表性测点流速的权重，进而合成代表流速，数据可靠性更高，提高了水文数据计算的准确性。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于推求河流流量的代表流速合成方法，沿河道横断面设置有n个测点，包括以下步骤：
6.步骤1，测点流速一致性变换；
7.一般水流流速监测设备可在不同时点连续测得同一空间位置的水流流速，但天然河道水情变化快，特别是在洪水期很难获得相同水情状况下的不同测次数据序列，因此需对同一测点不同测次的流速序列进行一致性变换；在此基础上，得到同一测点近似一致水情下的流速序列，为后期的分析计算提供基本数据，具体步骤如下：
8.步骤1.1，使用通用的面积包围法或算术平均法计算各测次的平均水位，利用曼宁公式法或既往的水位流量关系曲线推算平均水位对应的断面平均流速v
平均
；
9.步骤1.2，利用曼宁公式法或既往的水位流量关系曲线等推算各测次水位对应的断面平均流速vi；
10.步骤1.3，计算各测次流速一致性变换改正系数
11.步骤1.4，对各测次各测点的流速进行一致性变换，v
ij变
＝α
ivij
；式中：v
ij
为第i测次第j测点流速；v
ij变
为第i测次第j测点经一致性变换后的相应测点流速；
12.步骤2，测点流速序列稳定性分析；
13.测流系统稳定运行是实际生产应用的前提，也是应用代表流速法推流时选取代表性测点所重点考虑的方面；测点的稳定性可以用相同水情状况下同一测点不同测次结果的离散程度进行评估；引入变差系数cv进行测点流速数据样本的稳定性分析：
14.步骤2.1，计算经一致性变换后的各测点流速v
ij变
序列的变差系数cv值：
[0015][0016][0017]
式中：cvj为经一致性变换后的第j测点流速序列cv值；
[0018]v1j变
、v
2j变
...v
n-1，j变
、v
nj变
为经一致性变换后第j测点各测次测点流速；
[0019]
——经一致性变换后第j测点各测次测点流速均值；
[0020]
步骤2.2，选取m个对应cv值较小的测点作为代表性测点或选取连续测点作为代表性测点段；
[0021]
步骤3，运用“单宽流量比较法”确定推流代表流速中各代表性测点或代表性测点段流速的权重；
[0022]
单宽流量为过水断面单位宽度的流量，与该单位宽度的水流速度及过流面积相关，由水力学基础理论可知，过水断面不同起点距处单宽流量可以反映该处水流的集中程度，换言之，过水断面的水流集中分布在单宽流量较大处，过水断面上该处附近流量在总流量中的占比较大；因此，单宽流量较大处的流速等水力因素更有代表性，提出以“单宽流量比较法”予以确定推流代表流速中各代表性测点或代表性测点段流速的权重；具体步骤为：
[0023]
步骤3.1，基于流量实测资料分析计算各测次中各代表性测点或代表性测点段流速的权重；
[0024]
在已有实测流量结果中选取推流水位段内的测次，计算各测次中各代表性测点或代表性测点段单宽流量与所有代表性测点或代表性测点段的单宽流量和的比值记为β
mx
：
[0025][0026]
式中：
[0027]qm单x
——第m个代表性测点或代表性测点段的第x测次的平均单宽流量；
[0028]
——第x测次各代表性测点或代表性测点段平均单宽流量总和；
[0029]
β
mx
——第m个代表性测点或代表性测点段第x测次的单次权重系数；
[0030]
步骤3.2，拟合确定水位～权重相关关系；
[0031]
对步骤3.1中取得的各代表性测点或代表性测点段的β
mx
和对应的水位z
x
进行回归分析，确定相关关系βm＝fm(z)；
[0032]
步骤3.3，计算权重均值；
[0033][0034]
式中：za、zb——计算权重均值对应的推流低、高水位范围；
[0035]
——第m个代表性测点或代表性测点段的权重均值；
[0036]
步骤3.4，权重标准化缩放；
[0037]
为保证选取的各代表性测点或代表性测点段对应的各权重系数和为1，进行权重标准化缩放，按下式进行计算：
[0038]
步骤4，推流代表流速公式合成；
[0039]
推流代表流速合成公式为表述：
[0040][0041]
式中：
[0042]v代表i
——合成的第i测次推流代表流速；
[0043]
β
m定
——第m个代表性测点或代表性测点段流速占代表流速的权重系数；
[0044]vim
——第i测次第m个代表性测点或代表性测点段的流速。
[0045]
本方法在测点流速序列一致性变换的基础上，通过测点流速稳定性分析优选代表性测点，运用“单宽流量比较法”确定代表性测点流速的权重，提出用于推求河流流量的代表流速的合成方法。本方法合成推流代表流速分为4个步骤：(1)测点流速一致性变换；(2)测点流速序列稳定性分析；(3)运用“单宽流量比较法”确定推流代表流速中各代表性测点流速的权重；(4)根据各代表性测点流速的权重系数合成代表流速。
[0046]
作为优选，步骤2.2中，代表性测点选取的数量占比为所有测点数的10％～30％。
[0047]
作为优选，测点总数较少时可以选取独立的代表性测点，代表性测点不超过3个；测点总数较多时选取连续分布的代表性测点构成代表性测点段，代表性测点段不超过3段。
[0048]
作为优选，步骤3.2中，相关关系βm＝fm(z)可为线性或非线性，以挑选相关系数较大的相关关系为宜；水位变幅较大时，可按水位级分段拟定相关关系。采用线性和非线性模型多次拟合相关关系方程，选取相关系数最大的作为最终相关关系方程。
[0049]
本发明在测点流速序列一致性变换的基础上，通过测点流速稳定性分析优选代表性测点，运用“单宽流量比较法”确定代表性测点流速的权重，提出用于推求河流流量的代表流速的合成方法，数据可靠性更高，提高了水文数据计算的准确性。
附图说明
[0050]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0051]
图1是本发明一种测点设置示意图。
[0052]
图2是本发明实施例2的河道断面示意图。
[0053]
图3是本发明实施例2中的2022年1～6月水位变化曲线图。
[0054]
图4是本发明实施例2中的测点流速序列cv值沿河宽分布图。
[0055]
图5是本发明实施例2中其中一个代表性测点段的权重系数-水位相关关系图。
具体实施方式
[0056]
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。
[0057]
实施例1：一种用于推求河流流量的代表流速合成方法，沿河道横断面设置有n个测点，如图1所示，采用水平式adcp对各测点进行流速监测，包括以下步骤：
[0058]
步骤1，测点流速一致性变换；
[0059]
一般水流流速监测设备可在不同时点连续测得同一空间位置的水流流速，但天然河道水情变化快，特别是在洪水期很难获得相同水情状况下的不同测次数据序列，因此需对同一测点不同测次的流速序列进行一致性变换；在此基础上，得到同一测点近似一致水情下的流速序列，为后期的分析计算提供基本数据，具体步骤如下：
[0060]
步骤1.1，使用通用的面积包围法或算术平均法计算各测次的平均水位，利用曼宁公式法或既往的水位流量关系曲线推算平均水位对应的断面平均流速v
平均
；
[0061]
步骤1.2，利用曼宁公式法或既往的水位流量关系曲线等推算各测次水位对应的断面平均流速vi；
[0062]
步骤1.3，计算各测次流速一致性变换改正系数
[0063]
步骤1.4，对各测次各测点的流速进行一致性变换，v
ij变
＝α
ivij
；式中：v
ij
为第i测次第j测点流速；v
ij变
为第i测次第j测点经一致性变换后的相应测点流速；
[0064]
步骤2，测点流速序列稳定性分析；
[0065]
测流系统稳定运行是实际生产应用的前提，也是应用代表流速法推流时选取代表性测点所重点考虑的方面；测点的稳定性可以用相同水情状况下同一测点不同测次结果的离散程度进行评估；引入变差系数cv进行测点流速数据样本的稳定性分析：
[0066]
步骤2.1，计算经一致性变换后的各测点流速v
ij变
序列的变差系数cv值：
[0067][0068][0069]
式中：cvj为经一致性变换后的第j测点流速序列cv值；
[0070]v1j变
、v
2j变
...v
n-1，j变
、v
nj变
为经一致性变换后第j测点各测次测点流速；
[0071]
——经一致性变换后第j测点各测次测点流速均值；
[0072]
步骤2.2，选取m个对应cv值较小的测点作为代表性测点或选取连续测点作为代表性测点段；代表性测点选取的数量占比为所有测点数的10％～30％；测点总数较少时可以选取独立的代表性测点，代表性测点不超过3个；测点总数较多时选取连续分布的代表性测点构成代表性测点段，代表性测点段不超过3段；
[0073]
步骤3，运用“单宽流量比较法”确定推流代表流速中各代表性测点或代表性测点段流速的权重；
[0074]
单宽流量为过水断面单位宽度的流量，与该单位宽度的水流速度及过流面积相关，由水力学基础理论可知，过水断面不同起点距处单宽流量可以反映该处水流的集中程度，换言之，过水断面的水流集中分布在单宽流量较大处，过水断面上该处附近流量在总流量中的占比较大；因此，单宽流量较大处的流速等水力因素更有代表性，提出以“单宽流量比较法”予以确定推流代表流速中各代表性测点或代表性测点段流速的权重；具体步骤为：
[0075]
步骤3.1，基于流量实测资料分析计算各测次中各代表性测点或代表性测点段流速的权重；
[0076]
在已有实测流量结果中选取推流水位段内的测次，计算各测次中各代表性测点或代表性测点段单宽流量与所有代表性测点或代表性测点段的单宽流量和的比值记为β
mx
：
[0077][0078]
式中：
[0079]qm单x
——第m个代表性测点或代表性测点段的第x测次的平均单宽流量；
[0080]
——第x测次各代表性测点或代表性测点段平均单宽流量总和；
[0081]
β
mx
——第m个代表性测点或代表性测点段第x测次的单次权重系数；
[0082]
步骤3.2，拟合确定水位～权重相关关系；
[0083]
对步骤3.1中取得的各代表性测点或代表性测点段的β
mx
和对应的水位z
x
进行回归分析，确定相关关系βm＝fm(z)；相关关系βm＝fm(z)可为线性或非线性，以挑选相关系数较大的相关关系为宜；水位变幅较大时，可按水位级分段拟定相关关系；
[0084]
步骤3.3，计算权重均值；
[0085][0086]
式中：za、zb——计算权重均值对应的推流低、高水位范围；
[0087]
——第m个代表性测点或代表性测点段的权重均值；
[0088]
步骤3.4，权重标准化缩放；
[0089]
为保证选取的各代表性测点或代表性测点段对应的各权重系数和为1，进行权重标准化缩放，按下式进行计算：
[0090]
步骤4，推流代表流速公式合成；
[0091]
推流代表流速合成公式为表述：
[0092][0093]
式中：
[0094]v代表i
——合成的第i测次推流代表流速；
[0095]
β
m定
——第m个代表性测点或代表性测点段流速占代表流速的权重系数；
[0096]vim
——第i测次第m个代表性测点或代表性测点段的流速。
[0097]
实施例2，一种用于推求河流流量的代表流速合成方法，应用于杭州市临安区锦城街道青柯村的桥东村水文站，集水面积233km2，为国家基本水文站，地处东苕溪流域的上游，是太湖水系防汛抗旱重要区域代表站。现有监测项目包括降水、蒸发、水位、流量、泥沙等。
[0098]
该站测验河段顺直，长度约300m，河宽约80m，砂卵石河床基本稳定，两岸建有防洪堤。桥东村水文站历年最高水位5.14m，最大流量1430m3/s。该站测流主要方式为悬索缆道结合转子式流速仪法测流，从2022年4月起应用图像法系统测流，2022年最新大断面成果图如图2所示。2022年1～6月期间，水位变化过程线如图3所示，水位变化范围为1.45～2.88m；缆道流速仪测流实测流量共15次，实测流量变化范围为0.992～120m3/s，实测断面平均流速变化范围为0.11～0.98m/s。桥东村水文站水位级划分如表1-1所示。
[0099]
表1-1桥东村水文站水位级划分
[0100]
高水期水位/m中水期水位/m低水期水位/m枯水期水位/mz≥2.752.75＞z≥2.002.00＞z≥1.85z＜1.85
[0101]
参比实施例1的步骤对本例进行描述：
[0102]
步骤1，测点流速一致性变换；
[0103]
根据站点实际情况，分白天与夜晚两种情况，选取测流期间水位较高且相对平稳的6月5日15：00～17:50(白天)、19:00～20:40(夜晚)进行测点流速一致性变换，相应的水位变幅分别为2.79～2.88m，2.60～2.71m。由于数据较多，本例中主要以白天时段为例进行数据展示，夜晚时段可类比操作。
[0104]
6月5日15：00～17:50(白天)时段：平均水位2.84m,根据实测断面资料和2021年水位流量关系推算对应断面平均流速1.01m/s。该时段图像法测流系统每5min监测一次断面表面流场，共35个测次，各测次测点流速一致性变换成果见表2-1、2-2所示。
[0105]
表2-1 6月5日15：00～17:50(白天)各测次一致性变换系数计算表
[0106][0107]
表2-2(1)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0108][0109][0110]
表2-2(2)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0111][0112]
表2-2(3)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0113][0114]
表2-2(4)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0115][0116]
表2-2(5)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0117][0118]
表2-2(6)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0119][0120]
表2-2(7)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0121][0122]
表2-2(8)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0123][0124]
表2-2(9)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0125][0126]
表2-2(10)6月5日15：00～17:50(白天)各测次测点流速一致性变换成果表
[0127][0128]
步骤2，测点流速序列稳定性分析；
[0129]
计算经一致性变换后的各测点流速序列的变差系数cv值，计算成果如表2-3所示：
[0130]
表2-3各测点流速序列cv值计算成果表
[0131]
[0132][0133]
点绘各测点流速序列cv值变化如图4所示，白天时段，起点距35～44m、57～58m是cv的低值区，测点数占比为18.1％，考虑到最大程度消除测点流速测量的随机误差，在代表流速合成中全部引用起点距35～44m、57～58m对应的测点流速。夜晚时段中，起点距22～28m是全断面cv的低值区，57～58m为全断面深泓段cv的低值区，考虑到最大程度消除测点流速测量的随机误差，提高测点选取的代表性水平，在代表流速合成中全部引用起点距22～28m、57～58m对应的测点流速，测点数占比为13.6％。
[0134]
步骤3：运用“单宽流量比较法”确定推流代表流速中各代表性测点或代表性测点段流速的权重；
[0135]
白天时段的推流代表流速合成计算公式可表述为式：
[0136]v代表i
＝β
(35～44m)vi(35～44m)
+β
(57～58m)vi(57～58m)
[0137]
上述式中：v
代表i
为第i测次的合成代表流速；β
(35～44m)
为起点距35～44m测点平均流速占指标流速的权重系数，v
i(35～44m)
为第i测次起点距35～44m内各测点的流速均值，β
(57～58m)
、v
i(57～58m)
示意以此类推。
[0138]
上述式中的权重系数按照“单宽流量比较法”予以确定。利用测站常规测流成果，计算统计该站不同水位级下35～44m、57～58m处的单宽流量，通过以下两式计算权重系数：
[0139]
β
(35～44m)
＝q
(35～44m)单
/(q
(35～44m)单
+q
(57～58m)单
)
[0140]
β
(35～44m)
＝q
(35～44m)单
/(q
(35～44m)单
+q
(57～58m)单
)
[0141]
式中：q
(35～44m)单
为起点距35～44m处的平均单宽流量；q
(57～58m)单
为起点距57～58m处的平均单宽流量。
[0142]
本次推流主要针对中高水时段，尽量兼顾低水，推流最低水位定为1.90m，推流水位变幅1.90～2.88m。利用2022年最新15次缆道流速仪常规实测流量成果参与推算权重系数，计算成果见表2-4所示，表2-4中为了更准确地计算单宽流量权重系数，计算单宽流量时引入了代表性测点段附近的数据以提高数据准确性。
[0143]
表2-4基于缆道流速仪实测资料的各水位级下权重系数计算成果
[0144][0145]
点绘β
(57～58m)
～z相关关系，z为水位，如图5所示，相关关系表达式拟合为：β
(57～58m)
＝1.5033z-0.824
。
[0146]
白天时段中，推流水位变幅为1.90～2.88m，根据步骤3的方法，求得β
(57～58m)
的均值为0.741。参照上述过程，求得的为0.257。经标准化缩放，最终确定β
(57～58m)定
、β
(35～44m)
定分别为0.742、0.258。
[0147]
步骤4，得到白天时段指标流速合成公式为：
[0148]v代表i
＝0.258v
i(35～44m)
+0.742v
i(57～58m)
(对应水位：1.90～2.88m)。
[0149]
类比臼天时段的计算方法，分析计算确定夜晚时段推流代表流速合成公式为：
[0150]v代表i
＝0.139v
i(22～28m)
+0.861v
i(57～58m)
(对应水位：1.90～2.60m)；
[0151]v代表i
＝0.246v
i(22～28m)
+0.754v
i(57～58m)
(对应水位：2.60～2.78m)。