【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水文测验，涉及河道断面流量计算技术，具体涉及基于hadcp初始场拟合的水动力学断面流量在线计算方法。
技术介绍
1、流量是水文测验中的核心监测要素。流量监测正在由传统的缆道垂线流速仪测流向自动在线监测转变。在自动监测领域中应用较多的设备为声学多普勒流速剖面仪(adcp)。很多水文测站配备了adcp设备，有走航式的和定点在线观测的。由于走航式adcp的流量计算不能实现长期实时在线，因此，定点式adcp特别是水平声学多普勒流速剖面仪（hadcp）应用较为广泛。基于定点adcp的流量测算主要方法为指标流速法，即通过hadcp测量的点流速或其组合和实测断面平均流速建立关系，结合河流横断面面积计算断面流量。这种基于统计学的关系线拟合方法工作量大，有自身的统计缺陷：如曲线无法通过三项检验、曲线向两端延展不确定大、小流量和超标洪水流量监测精度不够等问题。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提出基于hadcp初始场拟合的水动力学断面流量在线计算方法，基于水流机理及hadcp长期实时在线监测的优势，提出根据hadcp监测单元流速拟合断面初始流速场，应用水动力学理论方法实现误差迭代控制，在线计算断面流量。
2、为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、基于hadcp初始场拟合的水动力学断面流量在线计算方法，包括如下步骤：
4、步骤1、河道横断面地形预处理及实时水位数据接入
5、根据横断面地形，引入σ坐标系划分计算网格，σ坐标
6、；
7、其中，z为网格点高程，η为河底高程，d为水深；
8、将断面按照水面宽和地形以及hadcp所在位置划分多条垂线和层数，hadcp所在的各垂线按层以及单元分辨率均分网格，其余部分网格划分按垂线向两岸扩展，直至水岸线；
9、步骤2、hadcp部分流速场生成
10、依据垂线对数分布规律假设，垂线任意点的速度用下式计算：
11、；
12、；
13、式中，为摩阻速度，为水深，为曼宁糙率系数，为卡尔曼常数，为积分常数，u为hadcp实测的各单元流速；
14、根据hadcp实测的各单元流速u、单元所在高程和河道糙率值，反算，进而根据各个网格所在的深度值计算各个网格的流速，其中网格深度按照垂线划分层数进行计算；
15、步骤3、断面流速初始场生成
16、根据步骤2中的hadcp所在部分的网格流速计算各单元所在垂线的平均流速，将不在hadcp垂线观测范围的两岸各垂线平均流速按对数规律插值计算，并反算，结合网格深度计算各个网格的速度值；
17、步骤4、水动力学迭代计算断面流速场
18、基于σ坐标系的沿水流方向的三维流速水动力方程为：
19、；
20、；
21、式中，t为时间，u，v，w别为水流方向x，断面水平方向y，垂向方向σ上的流速， d为水深，为重力加速度， i为比降， a h、 a v分别为水平和垂直涡粘度，表示水深；
22、引入余项ea代替忽略的平流和扩散项，三维水动力学方程简化为断面计算形式：
23、；
24、根据步骤3中的初始场利用有限差分法计算偏微分方程：
25、；
26、其中:
27、；
28、；
29、为需要计算网格的流速，为网格（i,j）处的水平涡粘度；
30、余项根据hadcp测量的单元流速计算，并假设垂线上的各网格点余项一致，不在hadcp单元垂线范围的垂线余项值按多项式拟合计算：
31、；
32、，，，为i处的摩阻速度，为i处的深度，为起点距方向网格分辨率，为描述湍流各向异性效果的参数；
33、迭代求解偏微分方程，循环计算、，计算各网格点的流速值直至收敛；
34、步骤5、断面流量计算
35、断面流量计算采用垂线流速积分方法计算。
36、其中步骤1为断面流速初始场生成及后续计算步骤提供断面流量计算的网格基础和初始水位数据，步骤1和步骤3为水力学误差迭代计算提供计算初始条件及边界条件。
37、进一步的，所述步骤2中，网格所在的深度值按照垂线划分层数进行计算。
38、进一步的，所述步骤5具体包括如下过程：
39、根据步骤4中计算的各网格流速以及步骤1中的垂线划分，按垂线平均流速与垂线代表面积的乘积进行各垂线积分，计算最终断面流量。
40、本专利技术的有益效果为：
41、本专利技术提出具有物理意义的基于hadcp部分单元流速的水动力学断面流量计算方法，通过对数分布函数和水动力方程的结合，提高流量计算的效率和精度。本专利技术基于垂线流速对数分布函数依据hadcp少量实测点反推插值全断面流速初始场，依据水位和地形数据实现动态计算网格划分，结合断面流速水动力学模型技术计算断面流量。
42、本专利技术依靠hadcp少量观测数据即能实现在线全断面流量计算，适用于中小河流测流，实施便捷，提高水文测验流量计算精度，克服了指标流速等统计法率定分析工作量大，低水、高水测流精度不可靠的缺点。
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1.基于HADCP初始场拟合的水动力学断面流量在线计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于HADCP初始场拟合的水动力学断面流量在线计算方法，其特征在于，所述步骤2中，网格所在的深度值按照垂线划分层数进行计算。
3.根据权利要求1所述的基于HADCP初始场拟合的水动力学断面流量在线计算方法，其特征在于，所述步骤5具体包括如下过程：
【技术特征摘要】
1.基于hadcp初始场拟合的水动力学断面流量在线计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于hadcp初始场拟合的水动力学断面流量在线计算方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：王文种，钱进，张永兵，季国安，王伟，陈志峰，王刚，唐炜，陶然，戴佳琦，宗军，刘九夫，杜红娟，
申请(专利权)人：水利部南京水利水文自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
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