一种以电折水转换系数的计算方法与流程

1.本发明属于农田水利工程领域，更具体地，涉及一种以电折水转换系数的计算方法。


背景技术：

2.水是一种宝贵资源，我国水资源分布不均，总体上算一个缺水国家。我国淡水资源人均为世界人均量的1/4，属世界13个严重缺水国家之一。但在长期的农业生产中，我国对于水资源的利用却比较浪费。目前我国已意识到农业用水浪费问题，正大力实施和推行农业水价综合改革，推广农田灌溉采用压力灌溉、滴灌、喷洒式灌溉等高效率灌溉形式，从而节约农业用水，改变农业用水的浪费现象。
3.农业用水量的准确计量是推行农业水价综合改革的重要一环。如农业的水权交易、水权分配、水权回购、阶梯水价等都离不开对用水量的准确计量这个前提。然而，由于农用小型泵站太多，一一实测每个水泵的流量既不科学，也不经济。此外，若采用直接在水泵进水口或出水口安装流量计，可能由于测流条件不满足规定要求，测流结果存在使用性误差。因此，许多地区提出采用“以电折水”的方法来计量用水量，即通过抽水时水泵的耗电量，来折算成实际水泵出水量，这种方法相对简单有效，但这种方法需要提前知晓出各水泵的转换系数r。通常一个区域中会存在多个不同型号、不同功率的水泵，预先一一测量实际水泵出水量及水泵耗电量得出转换系数r不太现实，因此可以采用预先测量部分水泵的实际水泵出水量及水泵耗电量得到转换系数r，通过一些回归模型对剩余水泵的转换系数进行预测。由于目前测量实际水泵出水量方法比较简单粗放，因此造成了训练样本中转换系数r不太精确，从而影响整个回归模型的精确性进而影响后期估算农业用水量的精确性。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种以电折水转换系数的计算方法，在对训练样本涉及到的水泵出水量测量时结合三种方法(水文法、容积法、仪表法或集成法)将误差限定在较小范围内，从而得到准确的转换系数r。此外，基于对实测资料的统计分析，分别进行了效用分析和回归分析，建立水泵以电折水转换系数r回归模型，对于同类型水泵，可采用回归模型进行转换系数r的预测，本发明提供一种以电折水转换系数的计算方法准确性高，并且降低了施测成本。
5.为了实现以上目的，本发明采用的一种技术方案如下：
6.一种以电折水转换系数的计算方法，包含以下步骤：
7.步骤s0，测试部分水泵的出水量构建同一类型水泵的训练样本集；
8.在施测水泵的出水量时，首先采用水文法对水泵的出水量进行多次测量获得第一相对误差值，如果第一相对误差值不大于预设阈值，则取多次测量结果对应的第一平均值作为水泵的实际出水量；如果第一相对误差值大于预设阈值，接着采用容积法对水泵的出水量再次测量获得第二测量结果，计算第一平均值和第二测量结果的第二相对误差，如果
第二相对误差值不大于预设阈值，则将由第一平均值和第二测量结果对应的第二平均值作为水泵的实际出水量；如果第二相对误差值大于预设阈值，接着根据现场实际情况采用仪表法及集成法中的任一种方法对水泵的出水量进行第三次测量获得第三测量结果，计算第一平均值、第二测量结果及第三测量结果的第三相对误差，如果第三相对误差值不大于预设阈值，则将由第一平均值、第二测量结果及第三测量结果对应的第三平均值作为水泵的实际出水量；如果第三相对误差值大于预设阈值，则取第一平均值、第二测量结果及第三测量结果的中值作为水泵的实际出水量；
9.利用水泵实际出水量和对应的耗电量获得转换系数，利用水泵的转换系数及投入使用年数构成一个训练样本；
10.步骤s1，将训练样本集输入回归模型进行训练获得转换系数预测模型；
11.步骤s2，将同类型水泵的投入使用年数输入转换系数预测模型即可得到该水泵的转换系数。
12.进一步地，所述预设阈值为10％。
13.进一步地，所述回归模型包含线性回归模型、幂函数回归模型及对数函数回归模型。
14.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
15.本发明提供的一种以电折水转换系数的计算方法，在针对训练样本水量涉及到的水泵出水量测量时，当水文法多次测量结果对应的相对误差大于预设阈值时，会接着采用容积法继续测量出水量，当水文法的第一平均值、容积法的第二测量结果对应的相对误差仍大于预设阈值时，最后会采用第三种方法(仪表法或集成法任一种方法)继续测量出水量，并判定水文法的第一平均值、容积法的第二测量结果及第三测量结果对应的相对误差是否小于预设阈值，通过上述过程将现有3种方法综合起来将水泵出水量的误差限定在较小范围内，从而保证了训练样本的准确性，进而保证了转换系数预测模型、水泵转换系数预测的准确性，本发明的一种以电折水转换系数的计算方法精确高，并且降低了施测成本，从而实现精确、有效的灌区农业用水量计量，为农业水价综合改革助力。
附图说明
16.图1为本发明一具体实施例中一种以电折水转换系数在实际工程区域运用的整体流程图；
17.图2为本发明一实施例中外夹式超声波流量计示意图；
18.图3为本发明一具体实施例中4类水泵转换系数r分布图；其中，图3a为两种不同功率hw水泵转换系数r分布图，图3b为两种不同功率zlb水泵转换系数r分布图；
19.图4为本发明一具体实施例中水泵转换系数r的影响因素效应趋势图；
20.图5为本发明一具体实施例中工程区域内水泵投入使用年度统计图；
21.图6为本发明一具体实施例中转换系数r与水泵投入使用年数关系分析图；
22.图7为本发明一具体实施例中3种回归模型对水泵的转换系数r预测值及真实值对比图；
23.图8为本发明一实施例中一种以电折水转换系数的计算方法整体流程图。
具体实施例
24.下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.先针对一具体工程区域进行水泵转换系数的测定，如图1所示，具体步骤如下：
26.1、工程区域泵站水泵指标调查分类
27.对工程区域内所有待测定的泵站水泵展开型号、功率、扬程、管径、使用年限等特征参数展开调查，并对得到的结果进行统计分类，对于数量较多的按每组典型水泵类型总数约40％比例进行“以电折水”转换系数r的实测工作。这里，以两种型号规格，zbl(轴流泵)和hw(混流泵)，以及电机额定功率30kw和55kw为例介绍。
28.2、出水量测定方法
29.为测定泵站水泵“以电折水”转换系数r，需准确测定泵站水泵的出水量v(m3)，然后通过公式(1)即可得到“以电折水”转换系数r，
[0030][0031]
公式(1)中p为水泵耗电量，单位kw
·
h，v为出水量的体积。
[0032]
使用4种实测方法进行泵站水泵出水量的测定，这4种测定方法分别为：
[0033]
(1)水文法
[0034]
利用水位、流速、断面的关系，通过现场使用水文仪器量测，利用水文学原理计算出流量。当泵站水泵出流稳定时，进行渠道的水流量测量，出水量计算公式(2)为
[0035]
v＝q
×
t
ꢀꢀ
(2)
[0036]
公式(2)中，q为渠道过水断面流量，单位m3/s；t为水流通过测定断面的时间，单位为s，v为该段时间内总出水量，单位为m3。过水断面流量q通过流速仪测出。测流时，在各条垂线上将流速仪放至不同的水深点测速。测速垂线数及各垂线测点数根据流速精度要求、渠道宽度、水深、流速仪固定方式、人力、时间等情况确定。采用公式(3)计算过水断面流量。
[0037]
q＝v
×
s
ꢀꢀ
(3)
[0038]
公式(3)中v为断面平均流速，单位为m/s，s为断面过水面积，单位为m2。测量采用的主要仪器包括流速仪、水位计和计时器。
[0039]
(2)容积法
[0040]
以泵站的出水口为始点，选择长度在100—150m的代表性渠段，下端封死，利用渠道囤积水量计算出水量。对于混凝土标准断面渠道，直接按照渠道几何尺寸进行水量计算。对土质渠道需进行人工规整成标准几何形状后，再根据囤水容积计算出水量v。
[0041]
(3)仪表法
[0042]
采用外夹式超声波流量计进行测量，如图2所示，管路需要有足够长的直管段，直管段越长越好，一般上游10倍管直径长度，下游5倍管直径长度，泵出口30倍管直径长度。测量过程中需测量管道的内径和外径，对生锈的管道先进行打磨。为保证测量精度和稳定性，传感器的安装点应选择在流量分布均匀的直管段部分。外夹式超声波流量计安装示意。
[0043]
(4)集成法
[0044]
采用多普勒超声波流量计作为主要测量仪器。多普勒超声波流量计采用速度面积法测流，利用超声波流速传感器测量流速v，利用压力式水位计测量水位h，预先在控制器设置渠道参数。控制器可以利用水位自动换算出过流面积s，从而计算得到出水量v。
[0045]
3、施测方案及流量确定
[0046]
对于选定泵站水泵，首先采用水文法进行泵站水泵出水量v的测定，平行重复施测三次。若三次出水量测定值v满足第一相对误差低于10％，则可认为测定的水泵出水量可靠，直接采用三次测定值的平均值即第一平均值作为水泵的实际出水量。第一相对误差及第一平均值如下所示：
[0047][0048][0049]
公式(4)及(5)中，v1、v2、v3为采用水文法测量三次得到的出水量，v
max
、v
min
为三次出水量中的最大值和最小值。
[0050]
若采用水文法测定得到的出水量第一相对误差e超过10％，则采用容积法再次进行水泵出水量施测，得到第二测量结果。此时进行容积法的第二测量结果与水文法测得出水量的第一平均值比较，若二者相对误差量低于10％，则可认为测定的水泵出水量v可靠，采用二者的平均值即第二平均值作为水泵的实际出水量。第二相对误差及第二平均值如下所示：
[0051][0052][0053]
公式(6)及(7)中，v
r
为采用容积法得到的水泵出水量(第二测量结果)，为水文法测定的出水量平均值(第一平均值)。
[0054]
若此时得到的第二相对误差仍大于10％，则进一步采用剩余2种方法中的1种进行施测(明渠选集成法，管道选仪表法)，得到此时测量的水泵出水量v
f
(第三测量结果)，再次计算第三相对误差量：
[0055][0056]
公式(8)中，v
f
为采用集成法或是仪表法测量得到的水泵出水量，v
max
、v
min
的选取范围在v
r
、v
f
之间，其他符号同前。若此时得到的第三相对误差小于10％，则可认为测定的水泵出水量可靠，采用3个测定值的平均值，即
[0057][0058]
若此时第三相对误差仍大于10％，则取三者的中值。即
[0059]
[0060]
4、三种测试方法测量水泵的实际出水量稍作分析
[0061]
表1典型泵站水泵流量q的测试结果(注：直接采用水文法得到出水量未列)
[0062][0063]
上表显示5个典型泵站水泵流量q的测试结果。对于采用水文法平行测试三次，水泵流量q相对误差小于10％的情况，直接取三次测量结果的平均值，相较简单，未在表1里列出。表中泵站1和泵站4，在分别采用水文法和容积法后，得到水泵流量q值的相对误差均小于10％，因此最终水流量取值为二者平均值，分别为1845.1m3/h和938.6m3/h。泵站2、泵站3、泵站5的水文法和容积法测量相对误差均超过10％，因此需选用第3种方法进行额外水流量测量。这里根据实际情况，泵站2和泵站3采用集成法测量，泵站5采用仪表法测量。再次计算三种测量方法之间的相对误差，泵站2和泵站5的流量测量相对误差分别为8.85％和7.98％，均小于10％，因此最终水流量取值为三种流量测量结果的平均值，为1793.8m3/h和1081.8m3/h。而泵站3的三种流量测量结果相对误差仍大于10％，因此该泵站最终水流量q取三种流量测量结果的中值，即2041.9m3/h。
[0064]
5、“以电折水”转换系数r测定及实测数据
[0065]
通过上述四种水泵流量的测试方法，得到各泵站典型水泵的出流量，对应的用电量通过读取抽水实验时电表的初始读数和终了读数，进行相减后得到。在分别确定出水量q和用电量p后，“以电折水”转换系数r通过公式(11)确定，单位为m3/kw
·
h。
[0066]
r＝q/p
ꢀꢀ
(11)
[0067]
这里以泵站常见的两种型号水泵zlb(轴流泵)和hw(混流泵)为例，按水泵电机功率55kw和30kw两种类型进行统计分析。具体的实测水泵数据如表2—表5所示。
[0068]
表2实测水泵zlb500数据
[0069][0070]
表3实测水泵zlb350数据
[0071]
[0072][0073]
表4实测水泵hw500数据
[0074]
[0075]
表5实测水泵hw350数据
[0076][0077]
6、实测“以电折水”转换系数r的统计分析
[0078]
根据实测“以电折水”转换系数r资料，根据表2到表5绘出这4类水泵转换系数r 分布如图3所示，四类水泵的“以电折水”转换系数r值基本呈正态分布，无极端异常值出现，这也说明采用四种实测出水量方法，得到的测试结果比较准确。例如对于hw350型水泵，我们得到它的“以电折水”转换系数r的值分布特征为：中值为37.88m3/kw
·
h，四分位数q1为37.20m3/kw
·
h，q3为38.75m3/kw
·
h；最大值40.63m3/kw
·
h，最小值35.67 m3/kw
·
h。其他类型水泵的“以电折水”转换系数r可类似进行分析。
[0079]
7、“以电折水”转换系数r的效用分析
[0080]
这里研究的泵站水泵共4种，分别为zlb500，zlb350，hw500，hw350，影响水泵“以电折水”转换系数r的因素主要有两个，即型号(包括zlb和hw两个水平)和水泵电机额定功率(包括55kw和30kw两个水平)。下面研究这两个因素对“以电折水”转换系数r值的影响大小。
[0081]
一般情况下，总效用的估计值为
[0082][0083]
公式式中，y
ij
为在第i影响因素的第j水平组合条件下，得到的“以电折水”转换系数 r总估计效用值；μ为在全部m影响因素下、全部n个水平条件下，实测“以电折水”转换系
数r值的总平均；β
ij
为第i影响因素的第j水平的成分效用值；x
ij
表达为
[0084][0085]
对于本文情况，影响因素2个，因此m＝2；每个影响因素又包含2种情况，因此n＝2。
[0086]
成分效用值β
ij
的计算为
[0087]
β
ij
＝μ
ij
‑
μ
ꢀꢀ
(14)
[0088]
公式(14)中，μ
ij
为第i影响因素的第j水平“以电折水”转换系数r的平均值。
[0089]
对计算得到的成分效应值β
ij
进行标准化，将每个影响因素的成分效应值最小值转化为 0，其他成分效应值为正值，即
[0090][0091]
公式(15)中，为标准化后的成分效用值(第i影响因素，第j水平)；为第i 影响因素的成分效用最小值。
[0092]
由标准化后的成分效用值，可以得到第i个影响因素的权重为
[0093][0094]
公式(16)中，w
i
为第i个影响因素的权重。
[0095]
按上述方法，计算得到的“以电折水”转换系数r效用分析如表6所示。
[0096]
表6“以电折水”转换系数r效用分析
[0097][0098][0099]
由表6，计算得到水泵功率的权重为
[0100]
w
a
＝1.65/(1.65 3.66)＝31％
[0101]
水泵型号的权重为
[0102]
w
b
＝3.66/(1.65 3.66)＝69％
[0103]
可见，对于水泵“以电折水”转换系数r的值，水泵功率的影响所占比例为31％，而水泵型号的影响所占比例为69％，水泵型号是影响“以电折水”转换系数r的主要因素。
[0104]
水泵型号及水泵电机额定功率两因素对“以电折水”转换系数r值的影响趋势分析
如图 4所示。由图4可见，zlb型水泵的“以电折水”转换系数r值大于hw型水泵；额定功率 55kw的水泵“以电折水”转换系数r值大于30kw的水泵“以电折水”转换系数r值。
[0105]
8、“以电折水”转换系数r回归分析
[0106]
对所研究工程区域内农用泵站水泵的使用年限进行统计，其分布如图5所示。由图5 可见，年代较久的老水泵使用量较少，大部分水泵在2010年后投入使用，使用年限在12 年以内。
[0107]
由于泵站的水泵使用年限时间较久可能会存在老化现象，因此可能会影响水泵的出水量及耗电量，从而间接影响“以电折水”转换系数r。因此，寻求转换系数r与水泵使用年限之间的关系，进而采用这种相关关系对同类水泵(同类型、同功率)的“以电折水”转换系数r进行预测和率定，从而大大节省转换系数实测的工作量，提高经济性。为此，我们以zlb500为例，收集的数据如表2所示。
[0108]
对表2数据进行分析，这里我们采用三类函数进行数据的回归分析，包括线性回归、幂函数回归和对数回归。得到的回归方程和判定系数r2分别为：
[0109]
线性回归方程及判定系数r2：
[0110]
r＝39.17
‑
0.142t
ꢀꢀ
(17)
[0111]
r2＝0.2218
[0112]
幂函数回归方程及判定系数r2：
[0113]
r＝40.757(1 t)
‑
0.033
ꢀꢀ
(18)
[0114]
r2＝0.2092
[0115]
对数函数回归方程及判定系数r2：
[0116]
r＝40.143
‑
1.083ln(t)
ꢀꢀ
(9)
[0117]
r2＝0.2054
[0118]
回归分析结果如图6所示。
[0119]
回归分析发现三种回归模型的判定系数r2值均不高，表明实测值的离散性比较大；但系数检验显著性值p
‑
value均远小于显著性水平0.05，说明泵站水泵的“以电折水”转换系数r值与水泵使用年限之间具有很强的相关性。但可能由于还存在其他未知影响因素，导致判定系数r2值较低。
[0120]
对图6得到的回归公式，采用额外收集的zlb500水泵资料进行验证。表7给出用于测试的10组zlb500水泵数据及采用三种回归模型得到的结果和相对误差。对于线性回归模型的预测结果，预测的水泵“以电折水”转换系数r与实测值最大相对误差5％，预测值精度可以满足使用要求。采用幂函数回归模型，预测值与实测的“以电折水”转换系数r之间相对误差最大不超过7％，预测结果也可接受。采用对数回归模型，“以电折水”转换系数r 预测值与实测值之间相对误差最大8％，预测结果也能满足使用要求。回归模型预测效果如图7所示。
[0121]
表7回归模型测试zlb500水泵数据
[0122][0123]
在对实际的水泵“以电折水”转换系数r的计算率定中，要使用上述三种回归模型进行计算，同时结合工程区域实测的“以电折水”转换系数r分布规律，进行综合判定，从而减少仅采用一种回归模型导致计算结果偏差较多风险。
[0124]
综上所示，如图8所示，一种以电折水转换系数的计算方法，包含以下步骤：
[0125]
步骤s0，测试部分水泵的出水量构建同一类型水泵的训练样本集；
[0126]
在施测水泵的出水量时，首先采用水文法对水泵的出水量进行多次测量获得第一相对误差值，如果第一相对误差值不大于预设阈值，则取多次测量结果对应的第一平均值作为水泵的实际出水量；如果第一相对误差值大于预设阈值，接着采用容积法对水泵的出水量再次测量获得第二测量结果，计算第一平均值和第二测量结果的第二相对误差，如果第二相对误差值不大于预设阈值，则将由第一平均值和第二测量结果对应的第二平均值作为水泵的实际出水量；如果第二相对误差值大于预设阈值，接着根据现场实际情况采用仪表法及集成法中的任一种方法对水泵的出水量进行第三次测量获得第三测量结果，计算第一平均值、第二测量结果及第三测量结果的第三相对误差，如果第三相对误差值不大于预设阈值，则将由第一平均值、第二测量结果及第三测量结果对应的第三平均值作为水泵的实际出水量；如果第三相对误差值大于预设阈值，则取第一平均值、第二测量结果及第三测量结果的中值作为水泵的实际出水量；
[0127]
利用水泵实际出水量和对应的耗电量获得转换系数，利用水泵的转换系数及投入使用年数构成一个训练样本；
[0128]
步骤s1，将训练样本集输入回归模型进行训练获得转换系数预测模型；
[0129]
步骤s2，将同类型水泵的投入使用年数输入转换系数预测模型即可得到该水泵的转换系数。
[0130]
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。