一种利用雷达波测流仪推算流量的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用雷达波测流仪推算流量的方法，包括如下步骤：1)表面流速测量；2)合成表面流速计算；3)平均流速计算；4)流量计算。本发明专利技术采取建立表面流速和平均流速相应函数关系的方式推求平均流速，而没有采用曼宁公式计算平均流速。本发明专利技术计算流量时需要测量的数据较少，一定程度上避免了测量带来的不可避免的误差，同时降低了计算流量所需要的成本和复杂度，除此之外，在探求表面流速和平均流速关系时，可以采用更多的拟合函数，具有很好的扩充性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种利用雷达波测流仪推算流量的方法，主要用于计算流量，可以广泛的使用于各种水文和水利计算中。
技术介绍
目前，计算流量使用最多最广泛的方法为河道平均流速与河道平均断面面积相乘，如公式(1)所示：Q＝V*A (1)其中：A为河道平均断面面积，一般采用多个实测断面面积的平均值，单位平方米(m2)；V为河道平均流速，单位米每秒(m/s)，河道平均流速V的计算一般采用曼宁公式，如公式(2)所示： V = 1 n R 2 / 3 S 1 / 2 - - - ( 2 ) ]]>其中：n为糙率，S为河流比降，R为水力半径，由公式(3)计算：R＝A/X (3)其中：A为平均断面面积，X平均湿周(过流断面上流体与固体壁面接触的周界线)。结合公式1、公式2和公式3，得到流量计算公式如公式(4)所示： Q = 1 n A ( A X ) 2 / 3 S 1 / 2 - - - ( 4 ) ]]>上述计算方式存在n、A、X和S四个需要实际测量的变量，因此，必然存在一定误差，公式4计算流量主要误差来源于以下几个方面：1.湿周X的误差在实际计算中，由于各种原因，常常用水深h来代替湿周X进行计算，因此，流量计算公式4就变成公式(5)的形式： Q 1 = 1 n A ( A B ) 2 / 3 S 1 / 2 - - - ( 5 ) ]]>其中：B为水面宽度。两种方法计算流量的相对误差为： σ = ( Q 1 - Q ) / Q = ( X B ) 2 / 3 - 1 - - - ( 6 ) ]]>假设断面为矩形，则X＝B+2h，公式(6)可变成公式(7)的形式： σ = ( B + 2 h B ) 2 / 3 - 1 = ( 1 + 2 h B ) 2 / 3 - 1 = ( 2 h B ) 2 / 3 - - - ( 7 ) ]]>由此可知，h/B越大，流量计算的相对误差越大，根据河流流量测验规范(GB50179-93)中规定，当河流宽深比大于100称作宽浅河道，所以根据公式(7)可知：矩形断面宽浅河道用水深h代替水力半径R计算流量的相对误差范围在0-1.33％之间，矩形断面深窄河道该项误差更大。2.糙率误差影响糙率的因素，从小尺度观点来看，主要是河床壁材料的组成(如泥沙、卵石、天然岩石)，以及各种材料的粗细结构，河床壁表面平整程度，饰物植被生长情况等。糙率误差对流量计算带来的相对误差取决于计算糙率和实际糙率的比值，两者越接近，流量误差越小。3.河流比降误差河流比降及纵比降，以千分率或万分率表示。河段水面沿河流方向的高程差与相应的河流长度相比，称之为水面的纵比降。比降误差对流量计算带来的相对误差取决于观测比降和实际比降的比值的平方根，两者越接近，流量误差越小。4.断面面积误差在实际计算中，常用中断面面积来代替河流平均断面面积，这种代替计算也存在一定的误差，断面面积误差对流量计算带来的相对误差取决于计算面积和实际面积比值的三分之五次方，两者越接近，流量误差越小。综上所述：用曼宁公式计算平均流速，然后乘以平均断面面积得到流量的计算方式存在一些不足，具体表现在以下几个方面：(1)存在系统误差：正如上文分析，由于四个计算参数或多或少采用近似计算或者在实验室测量过程中不可避免的会引入误差，导致整个计算流量的过程存在系统误差，同时这些误差是相互交叉、相互影响的，因此总体误差可能部分地相互抵消，也可能累积在一起而进一步放大。(2)需要测量数据较多：在该方法计算流量时需要测量河流平均断面面积、平均断面湿周(如用水深h代替水力半径R则不需测量该值而需测量水面宽度)、糙率和河流比降四个数据，这四个数据的测量过程也比较复杂，对测量的要求相对较高，因此给计算带来了一些不便。
技术实现思路
本专利技术主要是提出一种利用雷达波测流仪计算流量的方法，从而为水文和水利行业中流量的计算提供更方便、快捷和经济的途径，进而减少人力物力成本，提高计算效率。本专利技术是通过以下计算方案来实现的：1.表面流速测量表面流速测量使用的是雷达波测流仪，雷达波测流仪主要利用了多普勒效应(Doppler Effect)原理：当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用雷达波测流仪推算流量的方法，包括如下步骤：1)表面流速测量：使用多探头雷达波数字化测流仪，利用了多普勒效应(Doppler Effect)原理，根据反射信号频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度，即得出该点的表面流速；2)合成表面流速计算：根据测量的多个表面流速，利用加权平均法计算得到合成表面流速；3)平均流速计算：根据计算得到的合成表面流速和同一时间的实测平均流速之间进行曲线拟合，得到两者之间的函数关系，采用二元一次函数、多项式函数、指数函数三种拟合函数，利用最小二乘法求解各拟合函数的待定系数，最终得到各拟合函数的最优方程；然后检验各种方程的计算精度(计算精度标准采用计算结果的均方误差)，选取计算精度最高的一个方程作为合成表面流速和平均流速之间的转换方程。4)流量计算：在计算得到平均流速V后，实测河道三个断面面积，然后对三个断面面积求算术平均值作为平均断面面积A，最后利用Q＝A*V计算得到流量值。

【技术特征摘要】
1.一种利用雷达波测流仪推算流量的方法，包括如下步骤：1)表面流速测量：使用多探头雷达波数字化测流仪，利用了多普勒效应(Doppler Effect)原理，根据反射信号频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度，即得出该点的表面流速；2)合成表面流速计算：根据测量的多个表面流速，利用加权平均法计算得到合成表面流速；3)平均流速计算：根据计算得到的合成表面流速和同一时间的实测平均流速之间进行曲线拟合，得到两者之间的函数关系，采用二元一次函数、多项式函数、指数函数三种拟合函数，利用最小二乘法求解各拟合函数的待定系数，最终得到各拟合函数的最优方程；然后检验各种方程的计算精度(计算精度标准采用计算结果的均方误差)，选取计算精度最高的一个方程作为合成表面流速和平均流速之间的转换方程。4)流量计算：在计算得到平均流速V后，实测河道三个断面面积，然后对三个断面面积求算术平均值作为平均断面面积A，最后利用Q＝A*V计算得到流量值。2.根据权利要求1所述的一种利用雷达波测流仪推算流量的方法，其特征在于，所述步骤3)中：1)二元一次函数表面流速、水位和平均流速之间存在以下关系：V平均＝V表面(X+YH)+C其中：X为流速系数，Y为水位系数，H为水位，C为常数。因此，将这个二元一次函数作为表面流速和平均流速之间的拟合函数。2)多项式函数多项式函数是由常数与自变量x经过有限次乘法与加法运算得到的，其公式如下所示：F(x)＝anxn+an-1xn-1+an-2xn-2+.....+a1x其中an、an-1、....a1是自变量x的系数。当n＝1时，其为一次函数y＝ax+b当n＝2时，其为二次函数y＝ax2+bx+c当n＝3时，其为三次函数y＝ax3+bx2+cx+d本方案中选取n＝1、2、3时的多项式函数作为合成表面流速和平均流速之间的拟合函数。3)指数函数指数函数是以指数为自变量，幂为因变量，底数为常量的函数，其标准形式如下所示：y＝ax(a>0且a≠1)当0<a<1时，随着x的增大指数函数呈递减趋势；当1<a时，随着x的增大指数函数呈递增趋势。3.根据权利要求1所述的一种利用雷达波测流仪推算流量的方法，其特征在于：1)表面流速测量：使用多探头雷达波测流流仪，在某一时刻会测量得到多个表面流速，记为V1、V2、V3...Vn，随着时间推移，这三个探头会测量多组数据，我们记为1(V1、V2、V3...Vn)、2(V1、V2、V3...Vn)、....、n(V1、V2、V3...Vn)，其中1、2、…、n代表不同的时刻；2)合成...

【专利技术属性】
技术研发人员：李波，杨洪辰，罗丁，张咏新，李致博，成虎，任建，张远康，胡国峰，杨牧，
申请(专利权)人：西安山脉科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61