基于虚拟垂线流速的时差法流量计算方法

基于虚拟垂线流速的时差法流量计算方法

叶永清 1 潘伟军 2

1浙江天禹信息科技有限公司 浙江 杭州 310000 2浙江省水利科技推广服务中心 浙江 杭州 310000

摘要: 针对传统时差法流量计算方法存在误差大的问题，基于虚拟垂线流速，提出了一种时差法流量计算方法。在设计方法过程中，采用计算虚拟垂线流速的方式，进行相关流量计算参数的统计，提取参数包括水位断面规律、水位流向特征、虚拟垂度水平渠道系数等。在此基础上，引入Peandul时差理论，综合相关参数，计算断面流量，完成方法的设计。此外，设计对比实验，验证提出的计算方法在实际应用过程中，不会受到外界影响因素的干扰，因此得到的数据结果更加准确。

关键词：虚拟垂线流速；时差法；Peandul时差理论

中图分类号:TV13文献标识码:A

0引言

相关河流流量与流速的研究一直是水文地质研究者的关注重点，针对流量的在线统计方法可被划分为两种，分别为接触式计算与远程协调式计算（/也被称为非接触式计算）。前者包括水平式计算方法，包括使用ADCP算法、时差法等；后者包括使用雷达监测计算、使用激光离子定位测流等[1]。使用前者对流速进行检测，可直接接触到水流，因此计算中可排除有关因素对流量统计结果的影响，而后者由于并未完全接触到水流，导致计算过程中极易受到相关因素的干扰，整体计算结果的精度相对较差。目前，针对南北水调的研究通常采用前者进行统计，而此种方法也被称之为流量自动计算法。为了进一步统计并精准的计算流量，本文将基于虚拟垂线流速的计算，设计一种时差法流量计算方法，以此克服传统接触式流量计算方法中存在的缺陷与不足。

1时差法流量计算方法

1.1基于虚拟垂线流速统计流量计算参数

为了确保对流量计算的精准度，采用对虚拟垂线流速计算的方式，对流量计算中的相关参数进行统计。此行为的实施可参考ISO 0416文件标准，在此过程中，使用手持传感器进行水层平均流速的统计，并采用测量水位的方式，明确与垂线呈现水平的水位梯度[2]。遵循梯度计算方法，进行与河流垂线呈现水平位置的水位梯度流速计算。计算公式如下。

（1）

公式（1）中：Q表示为垂线呈现水平位置的水位梯度流速，计算单位为m3/s；k1表示为虚拟垂线的标定系数；k2表示为河流渠道系数；V表示为由手持传感器实际测量得到的水层流速，计算单位同上；A表示为水流断面面积，计算单位表示为m2。根据上述计算公式，可知沿着渠道横截面积的相关分布均为影响虚拟垂线流速的因素，因此在统计参数过程中，可直接按照上述计算公式，对有关影响因素进行提取[3]。提取后参数有水位断面规律、水位流向特征、虚拟垂度水平渠道系数等。

1.2时差法计算断面流量

在完成相关参数统计的基础上，使用时差法，对断面流量进行计算。在计算过程中考虑到明渠流速的分布与断面分布呈现一定规律，因此可采用对流速进行横向与纵向分布规律统计的方式，提取一种断面流量的自动计算方法[4]。引入Peandul时差理论，综合河流长度l，进行断面流速的计算。计算公式如下。

（2）

公式（2）中：表示断面流速；表示断面最大流速；表示断面实测流速；表示kar系数，通常表示为常数；表示检测区域水深；y表示在测点u处的水流实际流速。上述与流速相关的计算单位均表示为m3/s。综合流速与流量两者之间的无量纲函数关系，使用时差理论，计算断面流速[5]。计算公式如下。

（3）

公式（3）中：均表示为待定系数，需要对测点进行实地调研后得出，通常情况下，a;b;c为常数。综合上述计算公式，输出u的具体数值，完成对断面流量的计算。

2对比实验

为验证本文提出的流量计算方法的有效性，以某地区河流为例，分别利用本文计算方法和传统计算方法对该河流的流量进行统计。该河流河道整体长度为48.0km，主要承泄不同区域的洪水，并同时兼负航运和南水北调输水的任务。该河流建设为实现生产力的解放，并进一步实现对流量的实时在线监测，需要一种更加合理的流量计算方法。调用该河流近5天的流量监测数据，并将该数据与两种计算方法得出的结果进行比较，以此验证两种计算方法的计算精度。将实验结果进行记录，并根据数据绘制如图1所示的实验结果对比图。

图1 两种计算方法实验结果对比图

由图1中三条曲线可以看出，本文计算方法得出的河流流量与传统计算方法相比更加接近于近5天实际监测的河流流量数据。同时，在实验过程中发现，传统计算方法产生如图1所示的实验结果，主要原因是由于，在计算过程中，传统计算方法容易受到周围环境干扰因素的影响，造成计算存在较大误差的问题，进而无法计算出准确的数据。而本文在设计计算方法时，引入了虚拟垂线流速方法，这种方法在实际应用过程中，不会受到外界影响因素的干扰，因此得到的数据结果更加准确。进而，通过对比实验进一步证明，本文设计的流量计算方法得出的结果精度更高。

3结束语

本文开展了基于虚拟垂线流速的时差法流量计算方法设计，并采用设计对比实验的方式，证明传统的计算方法相对误差较大，产生此种现象的原因在于传统计算方法容易受到周围环境干扰因素的影响，而本文计算方法在实际计算中不会受到外界影响因素的干扰，因此得到的数据结果更加准确，综上所述可以证明本文计算方法的应用价值更高。

参考文献

[1] 黄焕东,胡利晨,胡炜炜,等. 奥氏体不锈钢焊缝超声衍射时差法检测的有限元仿真及应用[J]. 无损检测,2020,42(07):5-9.

[2] 欧阳星峰,余焕伟,蒲建忠. 基于合成孔径聚焦成像的超声衍射时差法图像优化处理[J]. 无损检测,2019,41(03):29-33+37.

[3] 史红兵,万军. 一种衍射时差法超声检测（TOFD）非相关显示的原因分析和处理[J]. 特种设备安全技术,2019(06):52-53.

[4] 刘建新,付焱鑫,胡文亮,等. 凝析气藏产出剖面测井流量计算及出水层位识别——以东海某作业区凝析气藏为例[J]. 长江大学学报(自然科学版),2020,17(06):9-13+4.

[5] 刘树锋,陈记臣,关帅. 基于改进Tennant法的横溪水电站生态流量计算与生态调度[J]. 科学技术与工程,2020,20(04):1628-1632.

作者简介：

叶永清（1980-），男，浙江建德人，高级工程师，大学本科，主要从事水文水资源遥测技术研究开发，水文信息系统设计开发等工作