[0001] 本发明属于水利水文仪器测量技术领域，涉及一种采用河流超声波时差法计算流量计流量的方法。

[0002] 河流流量监测在全国水文科技发展规划中被摆在了非常重要的位置，河流流量在线监测技术尤其是当今水文工作者研究的热点。目前河流流量在线监测方法有水平固定式ADCP、超声波时差法、二线能坡法、雷达测流法、激光粒子图像图像测流法等。

[0003] 河流超声波时差法在线流量测验系统应用较广，水资源计量监测、水生态基流的监测等。时差法流量测验，就是利用时差法声学测速原理测得全断面上某一水层或不同水深以上两个以上水层的平均流速，用于推求断面平均流速和流量。当前，河流的测验条件发生了较大的变化，尤其是城市景观建设的需要，对河道的流量测验带来非常大的影响，在非汛期时，河道流速很小，常规测流仪器设备已无法满足流量测量的条件，已严重影响水文测验的正常开展。河流超声波时差法在线流量计能解决这一问题。但目前河流超声波时差法流量计的计算方法中有待定参数，需要野外比测来确定。其精度受比测数据质量的限制，而且野外比测工作量大，水文工作人员较辛苦。

[0062] 以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

[0063] 本发明提供的河流超声波时差法流量计算方法，包括如下步骤：

[0064] 步骤一，平底渠系数的k1计算

[0065] 首先通过沿河宽方向安装超声波时差法传感器测量出传感器所在水层的水流速度、水位和河床断面；再由水位和河床断面及传感器安装高度计算平底渠流量系数。本步骤中需根据仪器实测水位实时计算仪器的入水相对位置，依据ISO6416平底渠流量系数，采用插值方法实时计算平底渠系数。

[0066] 依据ISO 6416：2004(E)的测量规范，许多宽阔的天然河流，流速分布与水位有一定的关系。理论流速计算的标定系数k1对于不同的安装水深有不同的数值。这些值是在规则梯形渠道上，平均水深在1.939m到2.201m范围内，深度为0.149m到1.613m之间的确定的7条单独的超声波线速度的野外观测结果。7个不同的安装高度做了15组实验，图1为实验示意图，经统计分析得各个相对位置的流量理论标定系数k1值，详见表1。以换能器相对位置为横坐标，理论标定系数k1为纵坐标，绘制换能器相对位置与k1的关系图，如图2所示。

[0067] 表1为ISO6416的K1相关数值：

[0068]

[0069] 上表中，h/H的含义是换能器的入水深与虚拟平底实际水深的比值

[0070] 换能器入水深与实际水深比值BZ按式(1)计算，

[0071] BZ＝(Z-Z0)/H   (1)

[0072] 式中BZ表示Z水位对应换能器入水深与虚拟平底实际水深H比值；Z0表示换能器安装高程，(m)。依据BZ值在表1中线性插值求出对应水位Z的k1值，单声路BZ的取值0.4～0.7，即k1的取值0.908～1.039。

[0073] 步骤二，虚拟垂线流速的计算

[0074] 依据计算的平底渠系数和时差法实测的流速vm，可以计算断面平均流速[0075]

[0076] 虚拟垂线流速的计算就是依据水流速度v，沿横断面的分布规律进行计算。水深大的地方水流速度也大，水深浅的地方水流速度也小。水流速度沿横断面的分布规律就是横断面的水流速度与水深成正比。平均水深按(3)式计算

[0077]

[0078] 式中，A表示水道断面面积，m2，可由步骤三计算得出；B表示水面宽，m。虚拟垂线流速系数βi按(4)式计算。

[0079]

[0080] 虚拟垂线流速按(5)式计算

[0081]

[0082] 步骤三，相应水道断面面积计算；

[0083] 目前时差法采用的水位面积曲线来查算水道断面面积的，或者将水位面积曲线建立回归模型进而计算水道断面面积。这两种计算方法和实际的过水断面面积有一定的计算误差，为减小这种误差这里提出采用实时水位计算相应的水道断面面积的方法。

[0084] (1)测深垂线的确定

[0085] 测深垂线的选择(布设)要满足水道断面形状的要求，布设宜均匀，并能控制河床的转折点，使部分水道断面面积无大割补情况。依据实测水位从测量的断面数据中选取起点距QDJ(j)和河底高程HD(j),j＝1,2,3…,m；

[0086] (2)间距的计算

[0087] 由水位根据断面数据进行线性插值计算出左水边ZSB和右水边YSB，间距按式(6)计算

[0088]

[0089] 式中JJ表示间距，m；m表示m条测深垂线；其他符号同前。

[0090] (3)水深的计算

[0091] 水位减去测深垂线的对应河底高程便是水深。值得注意的是左右水边的水深。具体计算公式如下

[0092]

[0093] 式中SS表间距水深，m；其他符号同前。

[0094] (4)水道断面面积的计算

[0095] 测深垂线将水道断面划分成若干个大大小小的梯形，水道断面面积的计算就是计算这些大大小小的梯形面积，然后将这面积累计起来。计算公式如下：

[0096]

[0097] 步骤二和三顺序可以颠倒。

[0098] 步骤四，流速仪法流量计算

[0099] (1)部分面积计算按式(9)计算

[0100]

[0101] 式中，Ai表示第i部分面积，m2；i表示第i部分的测速垂线号，i＝1、2、…、n；，Hi表示第i部分左边的水深，m；bi表示第i部分的水面宽，m；

[0102] (2)部分平均流速计算

[0103] 两测速垂线中间部分的平均流速按式(10)计算

[0104]

[0105] 式中，表示第i部分断面平均流速，m/s；vi表示第i条垂线的平均流速，m/s；vi+1表示第i+1条垂线的平均流速，m/s，i＝1、2、…、n-1。若vi+1＝0， α＝0.6。

[0106] 岸边的部分平均流速按(11)、(12)式计算

[0107]

[0108]

[0109] 式中，α表示岸边系数，水深渐变至0的斜坡岸边α取0.67～0.75；陡岸边不平整α取0.8，光滑α取0.9。

[0110] (3)部分流量计算

[0111]

[0112] 式中，qi表示第i部分流量，m3/s。

[0113] (4)断面流量计算

[0114]

[0115] 式中，Q表示断面流量，m3/s。

[0116] 本发明选取邳州市大运河大运河站2007年6月29日至2007年8月10日的转子式流速仪监测数据及时传统差法监测数据，采用三种计算方法，分别计算对比分析，显示虚拟垂线流量计算方法由于传统的时差流量计算方法，详见附图3。由图中可见，本发明方法测量的数据比传统的时差法更为贴近流速仪测得的数据，精确度高，误差低。

[0117] 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。