一种二层测速方式时差法河流流量测量系统自率定方法与流程

本发明属于水流量测量，具体为一种二层测速方式时差法河流流量测量系统自率定方法。

背景技术：

1、超声波具有定向性，可以象光波一样沿直线传播，可以在气体、液体、固体中传播。超声波时差法是根据超声波顺流和逆流传播的时间差与流体的流速成正比，通过超声波测量顺流和逆流所需时间的时间差得到河流的流速。

2、超声波时差法自1970年湖南省试验研究开始，在我国已经历了近50年研究发展历程，并得到了初步的应用，尤其在一些人工河渠的流量监测中发挥了重要作用。但天然河道由于河道断面不规整，加之影响因素较为复杂，超声波时差法所测到的一个或多个水平层流速对全断面流速是否具有很好的代表性，或者能否建立起超声波时差法所测水平层流速与断面实际流速的关系，直接决定了时差法测流系统建设及投产应用的成败。因此在天然河道超声波时差法监测系统建设初期，都需要经过深入的技术论证和较长时间的系统比测率定工作，因而在一定程度上制约了超声波时差法的在河流流量监测中推广应用。

3、多层测流法是沿河渠两岸不同水深位置平行安装多对换能器，在断面上测出不同水深的水平层平均流速得到断面流速分布变化，据以计算各水平层流量进而推算断面流量。多层测流法的多声道换能器固定安装布置如图1所示。

4、多层测流法的断面流量计算与常规流速仪法类似，采用分层部分流量累加，其有限差分公式为：

5、

6、式中：vμ为第μ个测速层的水平层流速，当μ＝n时即为河底盲区边界流速；aμ为第μ部分过水断面面积；k表为表层流速系数；k底为底层流速系数；其余符号意义同上。

7、单层测流法是沿河渠两岸分别选择一个合适的固定位置，水平安装一对换能器，以换能器测得的该水平层水平平均流速代表全断面平均流速，据以推算断面流量。单层测流法的换能器布置如图2所示。

8、单层测流法断面流量计算公式可表示为：

9、

10、式中：为断面平均流速；a为断面面积；vθ为固定测速层层流速；kθ为水平层流速与断面平均流速转换系数，一般称为水平层流速系数；其余符号意义同上。

11、由上可以看出，应用超声波时差法进行河渠流量测量时，无论多层测流法还是单层测流法，均难以通过测量得到完整的剖面流速分布。因此，超声波时差法应用中在仪器安装后必须进行系统率定，以建立测量流速与断面实际平均流速之间的关系，即求式(1)中k表、k底或式(2)中kθ。

12、可见，无论多层测流法还是单层测流法，均需对时差法测流系统进行率定。因此在超声波时差法河流流量测量系统设施布置时，必须按《河流流量测验规范》(gb50179)的要求布置一套转子流速仪法或走航式声学多普勒流速剖面仪法(adcp)测流设施，与时差法同步进行全断面流量的精密测量，以分析时差法测量流速与全断面流速之间的关系。天然河道由于水情条件复杂，率定期可能需要一个很长的过程，不仅费时费力，还将导致时差法难以及时投产、发挥效益，这对于时差法在新设水文测站中的应用是十分不利的。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种二层测速方式时差法河流流量测量系统自率定方法，基于对数型垂向流速分布的层流速与断面流速转换模型，通过超声波时差法自身的测速信息进行层流速与断面平均流速的转换计算，可使超声波时差法成为独立于其他常规测流方法的一种流量测验方法，不必另行布设一套如转子流速仪等常规测验设施对其进行比测率定，从而使超声波时差法流量监测系统能够建成即投产、投产即应用。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种二层测速方式时差法河流流量测量系统自率定方法，包括如下步骤：

4、(1)在河流断面安装上、下两层超声波换能器；

5、(2)利用所述超声波换能器同步测定上、下两层的实际流速vθ1、vθ2并按《水位观测标准》(gb/t50138)观测河流断面测时水位z；

6、(3)利用基于对数型流速分布的流速系数转换模型，由上、下二层实测流速vθ1、vθ2和河流断面测量资料推求水面流速系数k0，再由水面流速系数k0和河流断面测量资料推算本次流量测算相应在的上层流速系数kθ1和下层流速系数kθ2；

7、(4)根据测时水位z,由断面实际测量值获得相应测时水位z的河流过水断面面积a；

8、(5)由上层实测流速vθ1和上层流速系数kθ1之积(或由下层实测流速vθ2和上层流速系数kθ2之积)计算断面平均流速

9、(6)由断面平均流速与断面面积a，按流速面积法计算实时流量q；

10、(7)重复步骤(2)～(6)多次，点绘各次流量测量测时水位z与水面流速系数k0相关图，并根据点群的分布重心绘制水位z与水面流速系数k0关系线(即z～k0关系线)，再由z～k0关系线查线得到各级水位相应的k0与断面测量资料，推算各级水位对应的上、下层流速系数kθ1、kθ2并建立水位与上、下层流速系数的关系线(即z～kθ1、z～kθ2关系线)，由所述z～kθ1、z～kθ2关系线根据水位查算层流速系数综合值后，转步骤(5)～(6)推算断面平均流速和断面流量，可进一步提高流量测量精度。

11、作为上述方法的优选，步骤(3)中，所述水面流速系数计算公式为：

12、

13、其中，

14、

15、

16、

17、式中：k0为水面流速系数；b1为上水平层河面宽度；b2为下水平层河面宽度；vθ1为上层实测流速；vθ2为下层实测流速；hμ为第μ部分面积平均水深(μ＝1，2，…，n)；bμ为第μ部分面积部分水面宽；j1代表上层以下起始垂线号；j2代表下层以下起始垂线号；m1代表上层以下最终垂线号；m2代表下层以下最终垂线号；θ为从河底起算的相对水深值，其值在0～1之间。

18、作为上述方法的优选，步骤(3)和步骤(7)中，

19、所述上水平层流速系数计算公式为：

20、

21、所述下水平层流速系数计算公式为：

22、

23、其中，

24、式中：kθ1为上层流速系数；kθ2为下层流速系数；其余符号意义同上。

25、作为上述方法的优选，步骤(6)中，实时流量q计算公式为：

26、

27、式中：q为流量；a为河流断面面积；为断面平均流速；其余符号意义同上。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

29、(1)通过本发明构建的层流速与断面平均流速转换模型计算的流量成果精度基本满足正常水文测验的精度要求。其中收集一定数量二层测速次数自率定出水位(或其他水力因素)位与层流速系数关系后，其流量测算精度满足《河流流量测验规范》一类站精度；利用单次二层测速信息即时解算层流速与断面流速转换系数直接推算流量，其流量测算精度有所降低，但基本可达到《河流流量测验规范》二类站精度要求。

30、(2)基于垂向流速分布的层流速与断面流速转换模型，完全是利用超声波时差法自身的测速信息进行层流速与断面平均流速的转换计算的，可使超声波时差法成为独立于其他常规测流方法的一种流量测验方法，因此不必另行布设一套如转子流速仪等常规测验设施对其进行比测率定，从而使超声波时差法流量监测系统能够建成即投产、投产即应用。

31、(3)从基于垂向流速分布的层流速与断面流速转换模型计算参数看，层流速系数主要取决于水流的结构特征(公式中以k0表征)和河流断面形态。因此，一方面，超声波时差法测速层的布置应能反映河流断面流速垂向分布的信息，以期能实现测速层之间的流速分布信息的互补，有关测层间距最优布设，本发明提出了相应算法。另一方面，当河流断面发生较大变化或测站控制条件发生较大变化致使流速垂向分布规律改变时，本发明提出了层流速系数校正和检验技术要求。