一种河渠冰盖影响下流量实时自动测量方法技术

本发明专利技术涉及一种河渠冰盖影响下流量实时自动测量方法，包括：冰层钻孔测量垂线流速分布；测量河床地形和水深；获取单位宽度流量；划分过流断面；计算单位宽度流量沿宽度方向的分布；计算第一个冰孔计算的单位宽度流量分布；计算第二个冰孔计算的单位宽度流量分布；计算的各点单位宽度流量的平均值；计算断面的总流量。本发明专利技术所述方法利用两个固定冰孔测量河渠冰盖下冰孔所在位置的垂线流速分布，再利用爱因斯坦断面分区方法划分冰盖与河床影响区，采用流管元方法计算不同冰厚和河床高程下的单位宽度流量沿河宽的分布，进而实时自动获取固定断面冰盖影响下的总流量。极大减轻了寒冷气候条件下冰盖上的钻孔数量，提高了效率，具有快速高效的特点。快速高效的特点。快速高效的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种河渠冰盖影响下流量实时自动测量方法


[0001]本专利技术涉及一种河渠冰盖影响下流量实时自动测量方法，是一种水文观测方法，是一种用于北方河流和输水渠道冰盖影响下的流量观测方法。

技术介绍

[0002]传北方河渠流量的观测是水文数据采集的关键，是构建数字孪生流域的基础数据，直接影响数字赋能体系的可靠性以及河流洪水预报、预警、预演和预案的准确性。冬季河渠受低气温的影响，易形成岸冰和冰盖，影响了断面流量的接触式测量。冰盖的存在形成了水体与外界的天然屏障，导致声学多普勒流速剖面仪(ADCP)无法直接测量水流流速。此外，岸冰与冰盖形成初期、开河冰盖消融期冰体强度较低，无法承载仪器和人文观测人员在冰面上作业，极易发生落水事故，严重制约了冰期河渠流量的观测和数据采集。因此，迫切需要针对天然河道平面形态多变、河床冲淤变化快及冰盖厚度、糙率发展变化的条件提出一种通用且高效的冰期测流方法。
[0003]对于河宽100米以上的河道，传统的冰期测流方法需沿横断面凿20多个冰孔，然后利用多普勒流速仪测量冰孔垂线上的流速分布，最后通过断面积分获得冰盖下的流量。在黄河头道拐和三湖河口水文站大断面，水文观测人员甚至需要凿30～50个冰孔测量冰盖下的流量，存在冰期测量人力物力成本大、凿冰孔引起的人为干扰影响局部冰厚和冰下流速分布、寒冷气候条件下仪器和观测人员的安全风险高等问题。为了提高河渠冰期测流效率，有关研究基于河床阻力与冰盖阻力的分布提出了冰盖影响下的水位流量关系曲线，但该方法对河床地形和断面冰盖特征依赖性强，存在通用性不足的问题，无法满足天然河流冰盖影响下流量的自动采集需求。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种河渠冰盖影响下流量实时自动测量方法。所述的方法只需开凿两个冰孔，再利用爱因斯坦断面分区方法划分冰盖与河床影响区，采用流管元方法计算不同冰厚和河床高程下的单位宽度流量沿河宽的分布，进而实时自动获取固定断面冰盖影响下的总流量。所述的测流方法极大减轻了寒冷气候条件下冰盖上的钻孔数量，提高了冰期测流效率，具有快速高效的特点。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：一种河渠冰盖影响下流量实时自动测量方法，所述方法的步骤如下：
[0006]步骤1，冰层钻孔测量垂线流速分布：在选定的冰封断面中间和距左岸0.3倍河宽处凿冰孔两个，测量冰孔位置两条测线的垂线流速分布；
[0007]步骤2，测量河床地形和水深：是采用冰水情一体化双频雷达量测冰孔所在断面冰厚和水下河床地形高程，计算冰下水深沿河宽方向的分布；
[0008]步骤3，获取单位宽度流量：对两个冰孔的垂线流速分别沿水深方向积分，获得断面典型位置单位宽度流量q
m1
和量q
m2
；
[0009]其中：q
m1
为第一个冰孔测量的单位宽度流量，q
m2
为第二个冰孔测量的单位宽度流量；
[0010]步骤4，划分过流断面：对河渠冰盖影响下的一个过流的断面，以河渠的宽度为横坐标y，以河渠的深度为纵坐标z，以河渠一侧岸边为1的点为开始，用等间距垂直向下直至河底的m直线等分所述冰盖影响下的过流断面，将所述冰盖影响下的过流断面划分为m
‑
1个条形流管元，并计算各流管元的过流面积、水力半径和湿周；
[0011]步骤5，计算单位宽度流量沿宽度方向的分布：使用流管元法计算无量纲的单位宽度流量沿宽度方向的分布：
[0012][0013]其中，为第k个划分点处无量纲的单位宽度流量，B为河宽，A
k
为k点左侧条形单元累计的部分过流面积，R
k
为过流面积A
k
对应的水力半径，A为总面积，R为断面总体水力半径，y为河宽方向的坐标，为变量对y的微分；
[0014]步骤6，计算第一个冰孔计算的单位宽度流量分布：利用第一个冰孔实测的单位宽度流量与其无量纲值计算单位宽度流量分布：
[0015][0016]式中，为k点采用第一个冰孔计算的单位宽度流量，为第一个冰孔计算的无量纲单位宽度流量；
[0017]步骤7，计算第二个冰孔计算的单位宽度流量分布：采用第二个冰孔实测的值计算单位宽度流量沿河宽的分布：
[0018][0019]式中，为k点采用第二个冰孔计算的单位宽度流量，为第二个冰孔计算的无量纲单位宽度流量；
[0020]步骤8，计算的各点单位宽度流量的平均值：获得步骤6和步骤7计算的各点单位宽度流量的平均值，得到两个实测点修正后单位宽度流量q
k
：
[0021][0022]步骤9，计算断面的总流量：
[0023][0024]式中，Q为测量断面总过流量。
[0025]本专利技术的优点和有益效果是：本专利技术利用2个固定冰孔处和冰盖影响下的流管元方法，实现河渠冰盖影响下流量的实时自动采集，相比于不稳定的冰期水位流量经验关系曲线有了大幅度的提升，实现了冰期流量参数的实时动态采集，测量频次更高。传统的多孔多点测流速积分获取冰下流量的方法在冰面上作业的时间长、耗费的人力物力成本高、且无法满足封河和开河期脆弱冰盖下的测流需求，新的实时自动测量技术极大提高了冰期测流效率，减少了测量成本，且能满足整个冰期流量实时测量需求，测量技术的通用性和普适性更好。
[0026]本专利技术所述的方法利用两个固定冰孔测量河渠冰盖下冰孔所在位置的垂线流速分布，再利用爱因斯坦断面分区方法划分冰盖与河床影响区，采用流管元方法计算不同冰厚和河床高程下的单位宽度流量沿河宽的分布，进而实时自动获取固定断面冰盖影响下的总流量。所述的测流方法极大减轻了寒冷气候条件下冰盖上的钻孔数量，提高了冰期测流效率，具有快速高效的特点；其次，冰孔数的减少也减小了人为钻孔对冰盖和冰下流速分布的影响，人为干扰更少，具有真实准确的特点；此外，基于爱因斯坦分区法和流管元法测流的技术能适应自然河流复杂多变的河床形态和冰盖动态发展，具有应用范围广和实时自动化的特点。
附图说明
[0027]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0028]图1是本专利技术实施例所述方法的流程图；
[0029]图2是典型断面冰盖下流管元剖分示意图；
[0030]图3是本专利技术实施例的应用实例中采用冰水情一体化雷达测量的河床高程和冰厚；
[0031]图4是本专利技术实施例的应用实例中采用所述方法计算的单位宽度流量分布与实测值的对比。
具体实施方式
[0032]实施例一：
[0033]本专利技术新提出了一种河渠冰盖影响下流量实时自动测量方法。所述的方法利用两个固定冰孔测量河渠冰盖下冰孔所在位置的垂线流速分布，再利用爱因斯坦断面分区方法划分冰盖与河床影响区，采用流管元方法计算不同冰厚和河床高程下的单位宽度流量沿河宽的分布，进而实时自动获取固定断面冰盖影响下的总流量。
[0034]本实施例所述方法的具体步骤如下，流程如图1所示：
[0035]步骤1，冰层钻孔测量垂线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种河渠冰盖影响下流量实时自动测量方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：步骤1，冰层钻孔测量垂线流速分布：在选定的冰封断面中间和距左岸0.3倍河宽处凿冰孔两个，测量冰孔位置两条测线的垂线流速分布；步骤2，测量河床地形和水深：是采用冰水情一体化双频雷达量测冰孔所在断面冰厚和水下河床地形高程，计算冰下水深沿河宽方向的分布；步骤3，获取单位宽度流量：对两个冰孔的垂线流速分别沿水深方向积分，获得断面典型位置单位宽度流量q
m1
和量q
m2
；其中：q
m1
为第一个冰孔测量的单位宽度流量，q
m2
为第二个冰孔测量的单位宽度流量；步骤4，划分过流断面：对河渠冰盖影响下的一个过流的断面，以河渠的宽度为横坐标y，以河渠的深度为纵坐标z，以河渠一侧岸边为1的点为开始，用等间距垂直向下直至河底的m直线等分所述冰盖影响下的过流断面，将所述冰盖影响下的过流断面划分为m
‑
1个条形流管元，并计算各流管元的过流面积、水力半径和湿周；步骤5，计算单位宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘佳佳，郭新蕾，王涛，付辉，李甲振，郭永鑫，陈玉壮，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：