利用雷达测速仪自动测量明渠流量的方法

摘要

一种利用雷达测速仪自动测量明渠流量的方法，包括以下步骤：包括以下步骤：将雷达测速仪设置在一段截面形状固定的明渠中央上方，通过雷达测速仪垂直射向水面的波束，测得雷达测速仪距明渠水面的高度hd，进而求得雷达测速仪下方水流的断面面积A和水面宽度B以及雷达波覆盖水面宽度s，通过雷达波覆盖水面宽度s对应的表面流速vsm建立数学模型求得整个水体断面平均流速vc，最后通过A和vc求得明渠的流量。本发明通过通过建立数学模型，根据雷达测速仪的安装高度自动确定流速系数，实现雷达测速仪自动测量明渠水流量，避免了人工测验率定流速系数。

权利要求

1.一种利用雷达测速仪自动测量明渠流量的方法，其特征在于，包括以下步骤：将雷达测速仪设置在一段截面形状固定的明渠中央上方，使雷达测速仪测速波束接触水面处的明渠截面与雷达测速仪正下方的明渠截面相同，通过雷达测速仪垂直射向水面的波束，测得雷达测速仪距明渠水面的高度hd，通过所述雷达测速仪的倾斜射向水面的波束测得雷达波覆盖水面宽度s，雷达波覆盖水面宽度s对应的表面流速vsm，则明渠水深：h＝H-hd                                             (1)，其中H为雷达测速仪距明渠底面的安装高度；结合明渠的固有参数，求得雷达测速仪下方水流的断面面积：A＝f1(h)                                               (2)，B＝f3(h)                                               (4)，B为水面宽度，a为雷达测速仪倾斜射向水面的波束的俯射角，b为雷达测速仪倾斜射向水面的波束与铅垂线的夹角；用雷达波覆盖水面宽度s的水体表面平均流速求整体断面水面的平均流速vBm：求整个水体断面平均流速vc：

η为常数，g为重力加速度；

代入(1)～(7)式，明渠的流量：

2.如权利要求1所述的利用雷达测速仪自动测量明渠流量的方法，其特征在于，对于倒梯形接弧形底的明渠断面形状，当h≥T时：其中，

当h＜T时：

其中，

上式中，r为弧形底面的半径，θ为弧形底面的圆心角，Δh为梯形水深，m为梯形断面的边坡系数，T为弧形底面的矢高，β为h＜T时过水断面湿周所对应的圆心角。

3.如权利要求1所述的利用雷达测速仪自动测量明渠流量的方法，其特征在于，雷达测速仪的安装高度为3～9米。

说明书

利用雷达测速仪自动测量明渠流量的方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及水利自动化技术领域，特别涉及一种利用雷达测速仪自动测量明渠流量的方法。背景技术：

[0002] 明渠指的是敞开式排水渠道和虽不敞开、在非受压非满水状态下的输水渠道，明渠中的水是靠输水渠道的比降形成的自由水面势能减小而流动的。实现明渠自动测量水是国内外研究的方向之一，对灌区渠(沟)系的明渠(沟)实现自动化量水是灌区管理者的迫切需要，是实现水利信息自动化的技术途径。

[0003] 明渠(沟)流量的测量包括自动测量和人工测量，水力学流体理论对渠道过流量的定义是单位时间内通过某断面的水量。故测定明渠断面过水面积和过水断面的平均流速，二者的乘积即为通过该断面的流量。基于这个原理，人工施测明渠的过水流量是在顺直的明渠段选择固定的断面，布设n条(奇数)测线，将过水断面划分为n+1个区块，利用流速仪施测每条测线相对水深0.4倍处的流速为该测线的平均流速，计算测线间平均流速与过水面积得出测线间流量，n+1个区块流量之和为断面的流量，利用这种方法测量明渠的流量目前在国内外人工水文测验普遍运用。

[0004] 明渠流量的自动测定通常采用堰槽水位法或流速面积法。堰槽水位法是在明渠中设置标准化的量水堰槽，并在规定位置测量水位，使流过堰槽的流量与水位成单值关系；测量出水位，根据相应的流量公式或经验公式将其换算成流量值，这种量水方法虽然量水准确，但造成渠道水头损失较大，缓平灌区渠道不宜采用。流速面积法是明渠中常用的流量施测方法，不因修建量水建筑物而减小输水渠道的水头损失，只能通过测定过水断面平均流速和过水断面面积来求得流量。

[0005] 国内外利用雷达波测水面流速技术已在水流体领域广泛应用，其工作理论是基于多普勒原理，既当微波照射到流动的水体表面上时，会产生一个与流动水体表面流速成比率的一个变化值，其变化大小正比于水体流动的速度。生产实践中利用该技术设备施测流量，还需二次校测率定流速系数，因此，流速系数率定的准确与否直接关系到测量水的精度。基于这个原因，本文提出利用水力学基本理论建立流速系数数学模型自动确定流速系数的方法，实现雷达测速仪自动测得明渠流量的目的。发明内容：

[0006] 基于上述原因，本发明的目的是建立一种利用雷达测速仪自动测量明渠流量的方法，利用水力学基本理论建立流速系数数学模型自动确定流速系数，最终实现雷达测速仪自动测得明渠流量。

[0007] 一种利用雷达测速仪自动测量明渠流量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0008] 将雷达测速仪设置在一段截面形状固定的明渠中央上方，使雷达测速仪测速波束接触水面处的明渠截面与雷达测速仪正下方的明渠截面相同，通过雷达测速仪垂直射向水面的波束，测得雷达测速仪距明渠水面的高度hd，通过所述雷达测速仪的倾斜射向水面的波束测得雷达波覆盖水面宽度s，雷达波覆盖水面宽度s对应的表面流速vsm，则明渠水深：

[0009] h＝H-hd  (1)，

[0010] 其中H为雷达测速仪距明渠底面的安装高度；结合明渠的固有参数，求得雷达测速仪下方水流的断面面积：

[0011] A＝f1(h)  (2)，

[0012]

[0013] B＝f3(h)  (4)，

[0014] B为水面宽度，a为雷达测速仪倾斜射向水面的波束的俯射角，b为雷达测速仪倾斜射向水面的波束与铅垂线的夹角。

[0015] 雷达测速仪测得流速vsm与雷达测速仪安装高度相关，安装高度高，测量的水面宽度s相对就大、测出的vsm相对就小；反之，仪器安装高度低，测量的水面宽度s相对就小、测量的vsm相对就大。当仪器安装一定的高度即s＝B时，雷达测速仪测得流速vsm是全宽B的整体断面水面的平均流速vBm即vBm＝vsm。

[0016] 实际中要s＝B，则仪器要安装足够高度，难以做到。由图5可以看出，vsm恒大于vBm或 恒小于1。由此推理可建立数学模型，用雷达波覆盖水面宽度s的水体表面平均流速求整体断面水面的平均流速vBm：

[0017] 或

[0018]

[0019] 目前对明渠的平均流速尚无纯理论解法，文献《水力学》中理论学者普朗特(Prandtl)试验得出明渠水体的表面流速与水面下任意水深流速幂指数分布：

[0020]

[0021] 其中，vx为任意垂线水深yx处的流速，vm为表面流速，k为幂指数；当vx取值为vc时，yx对应取值yc，此时：

[0022]

[0023] 求整个水体断面平均流速vc：

[0024]

[0025]

[0026] η为常数，g为重力加速度；

[0027] 代入(1)～(7)式，明渠的流量：

[0028]

[0029] ks为流速系数。

[0030] 优选的，对于倒梯形接弧形底的明渠断面形状，当h≥T时：

[0031]

[0032]

[0033] 其中，

[0034] 当h＜T时：

[0035]

[0036]

[0037] 其中，

[0038] 上式中，r为弧形底面的半径，θ为弧形底面的圆心角，Δh为梯形水深，m为梯形断面的边坡系数，T为弧形底面的矢高，β为h＜T时过水断面湿周所对应的圆心角。

[0039] 优选的，雷达测速仪的安装高度为3～9米。

[0040] 本发明通过通过建立数学模型，根据雷达测速仪的安装高度自动确定流速系数，实现雷达测速仪自动测量明渠水流量，避免了人工测验率定流速系数。附图说明：

[0041] 附图1是雷达测速仪测安装位置的侧视示意图。

[0042] 附图2是雷达测速仪测安装位置的主视示意图。

[0043] 附图3是h≥T时倒梯形接弧形底的明渠断面形状示意图。

[0044] 附图4是h＜T时倒梯形接弧形底的明渠断面形状示意图。

[0045] 附图5是明渠水面流速分布示意图。

[0046] 附图6是明渠水体的表面流速与水面下任意水深流速幂指数分布示意图。具体实施方式：

[0047] 如图1～6所示，实地实施选择宁夏惠农渠引五济惠渠道，该渠道是2009年灌区续建配套翻建工程，渠道长2000米，采用混凝土预制板全断面衬砌，断面为梯形底弧型式，梯形边坡系数m为1:1.0，弧形底面的圆心角θ为67.5°，弧形底面的半径r为2.45米，渠道比降为1:3300，渠道最大设计输水流量为5m3/s。渠道引水是通过4台水泵提水，单泵标牌抽水量3
为1.05m/s，采用单泵单管道入渠，2017年5月每台水泵出水管道安装了管道电磁流量计，在距出水池600米处有固定的钢行架测水桥上安装雷达测速仪。选定该渠道有三个优势条件：a、渠道具备明渠均匀流的输水断面形状、渠道比降、流量、输水损失沿程不变；b、渠道进口流量全部是电磁流量计量，不需要人工进行测流；c、渠道断面稳定常年没有泥土淤积，能够建立水深面积一一对应关系。

[0048] 雷达测速仪测量示意图见图1、2，其中，附图标记1为明渠，2为水位线，3为雷达测速仪，a为倾斜射向水面的波束的俯射角，b为倾斜射向水面的波束与铅垂线的夹角，空心箭头为水流方向。在本实施例中，a＝12°，b＝30°。

[0049] 其水流的断面面积A和水面宽度B的计算如下：

[0050] 当h≥T时，如图3所示：

[0051]

[0052]

[0053] 其中，

[0054] 当h＜T时，如图4所示：

[0055]

[0056]

[0057] 其中，

[0058]

[0059] 上式中，h为明渠水深，h＝H-hd，H为雷达测速仪距明渠底面的安装高度，hd为雷达测速仪距明渠水面的高度，Δh为梯形水深，梯形边坡系数m＝0.98，T为弧形底面的矢高，T＝0.41米，弧形底面的的弦长为2.72米，β为h＜T时过水断面湿周所对应的圆心角。图3、4中，虚线为水位线，点划线为倒梯形的下底边线，点线为延长线。

[0060] 雷达测速仪测得流速vsm与雷达测速仪安装高度相关，安装高度高，测量的水面宽度s相对就大、测出的vsm相对就小；反之，仪器安装高度低，测量的水面宽度s相对就小、测量的vsm相对就大。当仪器安装一定高度即s＝B时，雷达测速仪测得流速vsm是全宽B的整体断面水面的平均流速vBm即vBm＝vsm。

[0061] 实际中要s＝B，则仪器要安装足够高度，难以做到。由图5可以看出，vsm恒大于vBm或 恒小于1。由此推理可建立数学模型，用雷达波覆盖水面宽度s的水体表面平均流速求整体断面水面的平均流速vBm：

[0062] 或

[0063]

[0064] 图6是明渠水体的表面流速与水面下任意水深流速幂指数分布示意，可以看出，紧贴渠道底部的流速最小，渠道水体表面的流速最大。文献《水力学》力理论学者普朗特(Prandtl)试验得出明渠水体的表面流速与水面下任意水深流速幂指数分布：

[0065]

[0066] 流速分布示意见图6，其中，vx为任意垂线水深yx处的流速，vm为表面流速，k为幂指数；当vx取值为vc时，yx对应取值yc，此时：

[0067]

[0068] 求整个水体断面平均流速vc：

[0069]

[0070]

[0071] η为常数，η取值范围[0.014，0.025]，在本实施例中η＝0.02，g为重力加速度；

[0072] 代入(1)～(7)式，明渠的流量：

[0073]

[0074] 实地实施时，在明渠断面的中垂线上方距渠底4.7米和2.1米处安装二台雷达测速仪，通过实测明渠水深、表面流速，采用流速面积法求实时断面的过水流量。为取得测水断面的流量与水泵处电磁流量计的流量一致性，雷达测速仪和电磁流量计都采用网络系统时间，数据每间隔300秒记录一次。由于雷达测速仪在出水池的下游600米处安装，统计计算分析时雷达测速仪记录时间比电磁流量计记录时间滞后600秒。结果见下表：

[0075] 表1：H＝4.7米的部分测试结果

[0076]

[0077] 表2：H＝2.1米的部分测试结果

[0078]

[0079] 表中，Qd为水泵出水管道电磁流量计流量测量值，其作为基准用于比较通过雷达测速仪测得流量的准确性；Qc为雷达测速仪测得的基础数据经本发明公式计算后得出的流量值；δ是相对误差，其计算公式为：

[0080]

[0081] 本次实地实施仪器于2017年11月2日安装调试完毕，11月22日泵站关停，共记录数据4467个。剔除了递加开泵和递减关泵、出水池取水小口灌溉用水、水深误码数据、大风天气影响数据，因此，分析计算样本数据为1639个。泵站水泵全部关停后，雷达测速仪还记录一段时间数据，水深复核正确，流速实测为零，从定性上证明该仪器测速是准确的。

[0082] 采用相对误差δ对比分析，不论是H＝4.7米还是H＝2.1米，|δ|均小于5％，同时，雷达测速仪安装4.7米和2.1米高实测的流量均小于电磁流量计的流量，符合施测点以上渠道存在输水损失和泵站出水池渗水损失的实际，是满足灌区测量水的精度要求。