一种适合山区流域的浮标测流仪及方法

本发明涉及流域测流量，尤其是一种适合山区流域的浮标测流仪及方法。

背景技术：

1、我国山区河流数量众多，洪水频发，灾害严重，是洪水防控的重点薄弱环节。水文资料匮乏是开展山区流域洪水预警预报所面临的主要难题之一。因此，山区流域河道流量测量在防汛工作中具有重要的作用；但是流量测验有时会受到突发性大洪水、仪器和操作的限制导致测验工作无法正常开展。例如偏远山区流域洪水暴涨导致人员和设备无法靠近、水文站房被洪水淹没、水文测流设施遭受大洪水毁坏等情况均会导致测验工作受阻，直接影响洪水防控的调度与决策。

2、浮标法测流是最古老的测流方法之一，约在17世纪时开始使用，时至今日，浮标测流仍是最基础、也是水文站通常采用的应急测流方法。浮标测流的基本原理是用漂浮物体的位移，确定表面流的流速和流向。传统的浮标测流在精度上往往存在某些缺陷，随着科技的发展，浮标测流技术也不断变革，浮标测流仪也逐渐趋于自动化和精准化。目前关于浮标测流技术已采用的方法有：漂流瓶法、雷达定位法、航空摄影法、放射性同位素跟踪法和声学定位法等。

3、国外在浮标测流领域研发时间早，技术较成熟，同时应用也更加广泛，其发展水平处于领先地位。从原始的漂流瓶到现如今的各种类型的跟踪浮标，浮标测流在其漫长的发展进程中，逐渐容纳了声学、光学、电磁学等科学领域知识和开展了对应层面的技术运用。测量适用范围也逐渐从河流面向大海，从表面流速测量向水面以下各层乃至更深层水域的流速测流过度。

4、我国在浮标测流方面也开展了大量的研究，在浮标测量领域的整体实力强、技术水平比较先进，所制作的大部分仪器理论切实可靠、在测量精度方面性能优良，大部分浮标测流仪在国家基本水文站使用时效果良好，但是在偏远山区流域或者没有测站的地方使用时，往往存在适用性不足、野外布施难度大、工作强度大的问题。另一方面，在偏远山区突发性洪水暴涨导致人员和设备无法靠近，或者虽然设有测站但是站房被洪水淹没、水文测流设施遭到洪水破坏损毁等情况下，均会导致测流工作无法正常开展，从而影响防汛部门的洪水调度决策与应急管理工作。

5、针对上述问题，本发明设计与制作满足山区流域防汛工作需要和适用于极端环境条件的新型智能浮标测流仪，实现流速测量的智能化，精简浮标测量操作过程，降低工作强度与难度，对于提高山区流域洪水的监测以及防洪减灾能力具有积极的意义。

技术实现思路

1、本发明提出一种适合山区流域的浮标测流仪及方法，能适应山区流域防汛工作需要和适用于极端环境条件下的测量作业，并可以在测量结束后以自带动力回收。

2、本发明采用以下技术方案。

3、一种适合山区流域的浮标测流仪，所述测流仪包括半流线体且自带回收动力的浮标外壳；测流仪内腔设有gps测距模块、单片机计时与流速计算模块、信号接收与显示模块，还设有用于测流仪回收的动力源和主动轮；所述动力源的输出端与主动轮相接；所述浮标外壳的尾部设有与被动轮相连的螺旋桨；所述主动轮、被动轮的传动面周沿处均匀设置多个磁吸件；主动轮、被动轮的传动面正对，当主动轮旋转时，主动轮的磁吸件与被动轮的磁吸件通过磁力耦合，以非接触方式驱动被动轮使螺旋桨旋转；

4、所述浮标外壳的前端为尖锐角形的头端，尾端为平截面，底部和两侧处均为扁平状突起，头端至尾端之间过渡段的浮标外壳呈流线型平滑曲线。

5、所述gps模块采用atk-neo-6m；所述单片机计时与流速计算模块包括stm32单片机；单片机通过串口接收由gps模块传递来的定位信息；信号接收与显示模块包括蓝牙模块，通过hc-05无线通信进行数据传输；

6、所述测流仪内腔为防水内腔；螺旋桨的安装结构及螺旋桨本体不与测流仪内腔相连。

7、所述浮标测流仪为能投放至山区流域水体进行测流的浮标，测流体内腔各模块的功能具体为：

8、gps测距模块：gps模块用于为单片机计时与流速计算模块传递定位数据，同时连接gps模块的天线放大信号，提高工作状态下地理信息的获取效率，更高效地获得测流水体两点之间的距离信息，实现浮标在工作过程中运动距离的智能测算；

9、单片机计时与流速计算模块：用于实现智能测算功能；通过接收由gps模块传递来的定位信息；再通过gps模块获取浮标在上、下游控制断面的起止时间，得到浮标漂移历时；然后进行计算，通过蓝牙模块实现数据的收发功能，实现浮标实时移速的智能测算并在手机终端显示；

10、信号接收与显示模块：包括浮标和手机处的蓝牙模块，通过无线通信实现适用于浮标测量作业过程远距离的信号发送和接收，使用手机蓝牙功能来实现浮标测得流速数据的相关信号接收。

11、适合山区流域的浮标测流仪的测量方法，所述测流仪在使用时，把浮标投放至山区流域河流水体，通过测量和计算浮标从上游控制断面漂移到下游控制断面的距离和时间以得出浮标在该河段的漂移速度，即虚流速；在测量过程中，浮标测流仪采用gps模块进行整个漂移路程的测量，并将测得数据传输给单片机；再由单片机计时与流速计算模块的单片机全程进行时间记录并在测量结束后自行计算求得浮标漂移速度，计算如下。

12、v浮标＝l/t   公式一；

13、v＝αv浮标   公式二；

14、式中，l为上游控制断面至下游控制断面的距离(m)；t为浮标在两断面之间漂移用时(s)；v浮标为经计算所得浮标移速，即虚流速(m/s)；α为率定所得的浮标系数；v为最终求得河流断面平均水流流速(m/s)；

15、经测量得到目标河段的断面平均流速后，由河流流速乘以河道过水断面面积，即可求得该断面的流量，计算公式如下述公式三所示：

16、q＝va   公式三；

17、式中，q为控制断面河流流量(m3/s)；v为河流断面平均水流流速(m/s)，由浮标测流仪器测得的虚流速经计算获得；a为河道断面面积(m2)；

18、其中河道断面面积的测量和计算，分以下三种情况：

19、情况1、若该流域有水文站，则采用水文站基本水尺断面的水位面积关系根据洪水位推求过水断面面积；

20、情况2、若该流域没有水文站，平时由该流域所在地乡镇水利工作站技术人员进行现场勘察，在有村庄、人员居住区的附近河流选定基本水尺断面、浮标上游断面、浮标下游断面；在基本水尺断面布设简易水尺，同时测量该横断面的断面图，用以建立基本水尺断面的水位面积关系，这样在测流时根据简易水尺测得洪水位，进而推求过水断面面积。同时，浮标系数也预先进行率定；

21、情况3、若该流域没有水文站，又没有基本水尺断面断面图，相当于应急测量河流的流量，可通过gis平台由dem数据分析计算得到该处河道断面数据。

22、所述浮标投放至山区流域河流水体后，受水流作用而开始漂流，具体为：

23、a、水流垂直冲击浮标尾部平面，此时水流质点在沿原水流流速方向的动量将被大幅削减，而转移到浮标上，使得浮标可以更大效率获得动能进行提速；浮标尾部至头部采用流线型平滑曲线过度，使水流在经过尾部平面而改变流态后得以在浮标表面快速恢复稳定，防止产生涡流局部紊乱的现象影响浮标漂移；

24、b、为保证浮标在行进中保持尾部垂直水流流向的稳定状态行驶，将浮标测流仪的底部和两翼设计为扁平状突起，使得浮标测流仪达到器身保持平行水流流向、尾部平面垂直水流流向的稳定状态；

25、浮标在漂流过程中，以内置仪器设备获得其移速测量结果，从而测得相应的河流断面平均流速，并自动捕捉和采集仪器设备运行过程中相关参数，并将其转换为强信号，以无线方式发给岸边工作人员的接收终端。

26、所述浮标测流仪以预设的作业时长来判定是否完成测量作业，当其漂流时长达到作业时长后，启动回收作业，此时动力源驱动主动轮旋转，主动轮的磁吸件与被动轮的磁吸件通过磁力耦合，以非接触方式驱动被动轮使螺旋桨旋转，使浮标在水中产生推力到达河岸搁浅以便于回收。

27、所述浮标测流仪用于山区流域洪水暴发场景的测量时，在回收作业中，工作人员根据gps测距模块的定位数据，判断浮标测流仪是否已处于搁浅状态，并在浮标测流仪处于搁浅状态且水流平缓时前去回收。

28、针对偏远山区流域洪水暴涨导致人员和设备无法靠近、水文站房被洪水淹没、水文测流设施遭受大洪水毁坏等情况导致水文测验工作受阻、直接影响洪水防控调度的问题，本发明基于智能监控方法，设计与制作了适应山区流域防汛工作需要和适用于极端环境条件下的新型浮标测流仪，所设计的新型浮标测流仪在传统浮标的基础上，通过对浮标运行时间和距离的智能监控和计算，将浮标的运行速度以及相应参数转化为数字信号并进行储存和传输，实现流速测量的智能化。同时，新型浮标依靠独特的外形设计使其在运行过程中可以捕获更多的动力，即使在极端环境下依然能完成流速测量，并实现在一定安全工作环境下的仪器回收，使测流工作更加方便、高效、适用和环保。

29、本发明的优点在于：

30、(1)实现了浮标测流的智能化与简单化

31、该新型浮标的智能测量模块可以准确捕捉和采集仪器运行过程中相关参数并将其转换为强信号发给岸边工作人员的接收终端，相对传统人工浮标测量具有更加智能化也更具便利性。

32、(2)基于半流线体外壳设计，有效提高了浮标测流的稳定性和准确度，半流线体的仪器外形可使得仪器在运行中能够高效地利用水流的冲击作用，以此提高仪器最初投放浮标的加速效率，使浮标移速在短时间内达到与水流同步的状态，提高测流的稳定性，使得测量结果准确高效。

33、(3)实现了浮标仪器的再回收与重复利用，在新型浮标测流仪的底部装有可遥控的螺旋桨，该螺旋桨利用强磁吸引力透过模型夹板与仪器内部控制中枢相连接，不仅能实现远程控制仪器行进方向，也保证了仪器所具备的防水功能，从而在确保人员安全的情况下对仪器进行回收。

34、本发明中的该新型浮标测流仪的设计继承传统浮标测量适应性、应急性强的优点，并在此基础进行升级改造使其具备智能化测量、高效率工作及回收再利用的特性。该设计弥补了传统浮标测量准确性不高、操作繁琐复杂及仪器器材一次性损耗难以回收的缺陷，使得浮标测量在水文测验领域更具实用意义，在如今山区流域洪水多发的情况下将具有更加良好的应用前景，为流域的防汛指挥调度提供依据，相对于传统技术，优势在于：

35、(1)测量工序简单，更为快捷方便

36、与传统浮标测流仪器相比，该测量仪运用传感器测量模块、单片机信息处理模块、信号接收模块，通过传感和信息智能传输及处理的技术获得移速测量结果，从而测得相应的河流断面平均流速，能够自动捕捉和采集仪器运行过程中相关参数，并将其转换为强信号发给岸边工作人员的接收终端。

37、(2)测量结果准确，效率高

38、该浮标测流仪采用智能化测量模块，有效避免了传统浮标测量中的人为误差，从而提高了测量精度。该浮标测流仪的操作便利，测量工序简单，且自动化程度高，大大提高了测量效率，节省了人力和时间成本。

39、(3)社会效益明显，相比传统浮标测量需要进行的复杂操作，新型浮标测流仪的操作简单便捷，方便适用，可以减少人力成本，对于提高山区流域洪水防控能力具有一定的意义，能够为洪水调度决策提供有力依据。该浮标测流仪器配备了可遥控的螺旋桨，可以实现在确保工作人员安全的情况下对仪器进行回收，保证仪器的可重复利用性，减少仪器和材料的浪费，以此有效保护水域生态环境。