由水位确定流量的方法、装置、电子设备及介质与流程

1.本发明涉及洪水预报技术领域，具体涉及一种由水位确定流量的方法、装置、系统、电子设备及介质。


背景技术：

2.洪水预报是防汛指挥的重要依据，准确的原始数据是提高洪水预报精度的基础。
3.在水文监测工作中，流量的监测比水位监测复杂，一般应用水位流量关系曲线由水位推求流量，在恒定流状态下，水位流量关系曲线是单一曲线，即水位与流量一一对应。然而，在发生洪水时，水位流量关系线往往呈现绳套曲线，二者不存在单一对应关系，这时由水位推求流量存在较大困难，导致无法为洪水预报提供准确的数据。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种由水位确定流量的方法、装置、电子设备及介质，在洪水发生时可计算较高精度的流量，以为洪水预报提供准确的数据。
5.为了解决上述问题，从第一方面，本发明实施例公开了一种由水位确定流量的方法，所述方法包括：
6.对所述河道断面在恒定流状态下的第一水位以及在洪水发生时的第二水位分别进行测量；
7.在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，根据所述第一水位，以及预先确定的所述河道断面在恒定流状态下的比降、河道面积、流量模数、洪水发生时长，对所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量进行推求。
8.在本发明一实施例中，所述流量模数是通过以下步骤确定的：
9.根据所述第一水位，推求所述河道断面的水力半径和河道面积；
10.根据所述河道断面的水力半径、所述河道面积以及预先获得的所述河道断面的河道粗糙系数，计算得到所述流量模数。
11.在本发明一实施例中，所述河道断面在恒定流状态下的比降是通过以下步骤确定的：
12.确定所述河道断面在恒定流状态下沿河道流向的两测量点间的水位之差以及所述两测量点间的距离；
13.根据所述两测量点间的水位之差以及所述两测量点间的距离，计算得到所述河道水流在恒定流状态下的比降。
14.在本发明一实施例中，所述在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，根据所述第一水位，以及预先确定的所述河道断面在恒定流状态下的比降、河道面积、流量模数、洪水发生时长，对所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量进行推求的步骤包括：
15.在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，所述河道断面在洪水发
生时的所述第二水位对应的流量的推求表达式为：
[0016][0017]
上式中，g为常数，等于所述流量模数其中，n为河道粗糙系数，r为水力半径，a为所述河道面积；s
c
为所述河道断面在恒定流状态下的比降；dz＝δz，表示水位涨落变化值；dt＝δt，表示洪水发生时长；
[0018]
利用差值法求解其中，z
t
为所述第二水位，z
t
‑1为所述第一水位；
[0019]
将所述代入所述推求表达式中，确定所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量q。
[0020]
基于同一发明构思，从第二方面，本发明实施例公开了一种由水位确定流量的装置，所述装置包括：
[0021]
水位测量模块，用于对所述河道断面在恒定流状态下的第一水位以及在洪水发生时的第二水位分别进行测量；
[0022]
洪水流量推求模块，用于在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，根据所述第一水位，以及预先确定的所述河道断面在恒定流状态下的比降、河道面积、流量模数、洪水发生时长，对所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量进行推求。
[0023]
在本发明一实施例中，所述装置还包括：
[0024]
水力推求模块，用于根据所述第一水位，推求所述河道断面的水力半径和河道面积；
[0025]
流量模数计算模块，用于根据所述河道断面的水力半径、所述河道面积以及预先获得的所述河道断面的河道粗糙系数，计算得到所述流量模数。
[0026]
在本发明一实施例中，所述装置还包括：
[0027]
恒定流参数确定模块，用于确定所述河道断面在恒定流状态下沿河道流向的两测量点间的水位之差以及所述两测量点间的距离；
[0028]
恒定流比降计算模块，用于根据所述两测量点间的水位之差以及所述两测量点间的距离，计算得到所述河道水流在恒定流状态下的比降。
[0029]
在本发明一实施例中，所述洪水流量推求模块包括：
[0030]
表达式得到子模块，用于在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量的推求表达式为：
[0031][0032]
上式中，g为常数，等于所述流量模数其中，n为河道粗糙系数，r为水力半径，a为所述河道面积；s
c
为所述河道断面在恒定流状态下的比降；dz＝
δz，表示水位涨落变化值；dt＝δt，表示洪水发生时长；
[0033]
差值求解子模块，用于利用差值法求解其中，z
t
为所述第二水位，z
t
‑1为所述第一水位；
[0034]
洪水流量确定子模块，用于将所述代入所述推求表达式中，确定所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量q。
[0035]
基于同一发明构思，从第三方面，本发明实施例还公开了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行时实现如本发明实施例第一方面所述的方法。
[0036]
基于同一发明构思，从第四方面，本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，其存储的计算机程序使得处理器执行如本发明实施例第一方面所述的方法。
[0037]
本发明实施例包括以下优点：
[0038]
通过本发明实施例，可以在将河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，根据河道断面在恒定流状态下所测得的第一水位，以及预先确定的所述河道断面在恒定流状态下的比降、河道面积、流量模数、洪水发生时长，对同一河道断面在洪水发生时的第二水位对应的流量进行推求。如此，本发明实施例可实时根据洪水上涨时的测量水位求得河道断面流量，直接表明了洪水发生时水位与流量之间的关系，可在河道洪水发生时获得较高精度的流量数据，可为水文监测、洪水预报、防汛指挥提供了更加准确的原始数据，克服了现有水文监测技术中在发生洪水时由水位推求流量存在较大误差的问题。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1是本发明实施例一种由水位确定流量的方法的步骤流程图；
[0041]
图2是本发明实施例水位
‑
面积的关系曲线图；
[0042]
图3是本发明实施例未发生洪水时水位
‑
流量之间的关系曲线图；
[0043]
图4是本发明实施例洪水涨落过程中水位
‑
流量之间的关系曲线图；
[0044]
图5是本发明实施例洪水涨落时水面比降变化示意图；
[0045]
图6是本发明实施例一种由水位确定流量的装置的功能模块图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
[0047]
针对本发明的技术问题，从本发明实施例的一方面，本发明提出了一种由水位确
定流量的方法，参照图1，该方法可以包括以下步骤：
[0048]
步骤s101，对所述河道断面在恒定流状态下的第一水位以及在洪水发生时的第二水位分别进行测量；
[0049]
在本发明实施例中，河道是一种具有自由表面(表面上各点受大气压强的作用)水流的渠道，具有三点特性：水面一定与大气接触；且水位及流量跟随横断面的变化而变化；最后就是水流方向由重力决定，由高向低的方向流动。河道可分为天然河道和人工河道，天然河道可以为一般的天然河道，人工河道可以为人工输水渠道、运河及未充满水流的管道等。河道断面也称河道横断面，是河道垂直于水流方向的断面。河道具有行洪、排涝、引水、灌溉、航运、景观、旅游等功能，应根据不同的功能要求，设计有不同形状的河道断面。一般河道断面形状主要分为三类：复式断面、梯形断面和矩形断面。
[0050]
恒定流状态指该河道断面中水流某一时刻接近于恒定均匀流的状态，即恒定流可理解为接近于恒定均匀流。在本技术中，恒定流状态可以理解为该河道断面洪水发生前的状态。
[0051]
实际中，所选取的河道断面可以为基本水尺断面，本技术的第一水位或第二水位均可以通过该基本水尺断面所在水文测站的自动水位计测量获得。
[0052]
通常情况下，在恒定流状态下，水位
‑
流量成单一线关系。因此，根据河道断面在恒定流状态下的比降以及该河道断面的流量模数，就可计算得到该河道断面在恒定流状态下的流量，计算表达式为：
[0053][0054]
其中，q
c
为河道断面在恒定流状态下的流量，s
c
为河道断面在恒定流状态下的比降，k为该河道断面的流量模数。
[0055]
在本发明各个实施例中，比降指水面比降，用以表明该河道断面的水面坡度，也称水力坡度。因此，河道断面在恒定流状态下的比降可以通过以下方式计算获得：
[0056]
步骤s11，确定所述河道断面在恒定流状态下沿河道流向的两测量点间的水位之差以及所述两测量点间的距离；
[0057]
步骤s12，根据所述两测量点间的水位之差以及所述两测量点间的距离，计算得到所述河道水流在恒定流状态下的比降。
[0058]
在本发明中，沿河道流向的两测量点可以为该河道断面中视为恒定流状态的两测量点，这两测量点沿河道流向分布，每个测量点的水位可以通过水文测站的自动水位计测量获得。两测量点间的测量水位之差可以指两测量点间的瞬时水面高程差。通过将河道在恒定流状态下所选定的两测量点间的瞬时水面高程差与该两测量点的距离做比值，可以得到河道水流在恒定流状态下的比降。
[0059]
在本发明各个实施例中，一个河道断面的流量模数k可以通过以下步骤确定：
[0060]
步骤s21，根据该河道断面在恒定流状态下的测量水位(即本技术中的第一水位)，推求所述河道断面的水力半径和河道面积；
[0061]
步骤s22，根据所述河道断面的水力半径、所述河道面积以及预先获得的所述河道断面的河道粗糙系数，计算得到所述流量模数。
[0062]
在本发明中，流量模数的计算公式为：
[0063]
其中，n为河道粗糙系数，r为水力半径，a为河道面积。
[0064]
公式二中，河道面积a可以由河道在恒定流状态下的测量水位z推求获得，满足a＝a(z)，且河道不同流域的水位
‑
面积关系不同，可以得到如图2所示水位
‑
面积的关系曲线；水力半径也可以由河道在恒定流状态下的测量水位z推求获得，满足r＝r(z)，湿周χ是关于z的函数。
[0065]
联立公式一与公式二，q
c
与s
c
之间的关系式为之间的关系式为
[0066]
根据公式三，绘制水位
‑
流量之间的关系曲线如图3所示，河道不同的流域水位
‑
流量关系不同，此时的流量为未发生洪水时的流量。从图3可见，水位
‑
流量之间的关系在未发生洪水时基本为单一对应关系，但当基本水尺断面受到洪水、回水、结冰等因素影响时，产生非恒定流状态。如图4所示，在洪水涨落过程中，水位
‑
流量关系曲线呈逆时针绳套曲线，大大增加了由水位推求流量的难度。
[0067]
为此，本技术提出了如步骤s102所示的解决方案，克服了现有技术中在发生洪水时由水位推求流量存在较大困难的问题。
[0068]
步骤s102，在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，根据所述第一水位，以及预先确定的所述河道断面在恒定流状态下的比降、河道面积、流量模数、洪水发生时长，对所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量进行推求。
[0069]
在本技术中，步骤s102所示的解决方案的获得思路如下：
[0070]
由于洪水发生时的比降不同，实际中，参照公式一，洪水发生时的流量q可以以下表达式进行说明：
[0071][0072]
其中，z为测量水位，l为两测量点之间的距离，一般，s
c
>0，在洪水上涨过程中此时流量大于同水位恒定流量q≥q
c
；洪水消退过程中此时流量小于同水位恒定流量q≤q
c
。
[0073]
因此，如公式四所示，河道断面在洪水状态下的比降s可以用河道断面在恒定流状态下的比降s
c
与河道断面受洪水波引起的附加比降s
δ
之和进行表示。首先对河道断面受洪水波引起的附加比降s
δ
进行求解。
[0074]
由于本技术所研究的河道断面流量是一个瞬时值，因此，洪水发生时的水面可以看作与流向倾斜的平面。在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，该河道断面受洪水波引起的附加比降s
δ
可以表示为：
[0075][0076]
其中，u为洪水传播速度(单位：米/秒)，δz为该河道断面的水位涨落变化值(单
位：米)，δt为洪水发生时长(单位：秒)。
[0077]
在本实施例中，该河道断面的水位涨落变化值可以根据该河道断面在洪水发生前的水位与在洪水发生时的水位差值进行求解，本技术将河道断面在恒定流状态下所测得的第一水位作为洪水发生前的水位，根据洪水发生时所测得的第二水位与该第一水位的差值，可得到该水位涨落变化值。由于洪水发生的时间较短，本技术的洪水发生时长可依据历史洪水发生时长统计后平均获得，优选为5分钟。
[0078]
在求得附加比降s
δ
之后，河道水流在洪水状态下的比降s可如图5所示。虽然在获得河道水流受洪水波引起的附加比降s
δ
之后，可以结合河道断面在恒定流状态下的比降s
c
，用公式四进行表达得到当前洪水流量，但是此种方式并不能直接表明洪水发生时当前水位所对应的流量。因此，本发明继续提出了步骤s102的解决方案，其实现步骤可以如下：
[0079]
子步骤s102
‑
1，在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量的推求表达式为：
[0080][0081]
公式六中，g为常数，等于流量模数其中，n为河道粗糙系数，r为水力半径，a为河道面积；s
c
为河道断面在恒定流状态下的比降；dz＝δz，表示水位涨落变化值；dt＝δt，表示洪水发生时长；
[0082]
子步骤s102
‑
2，利用差值法求解其中，z
t
为所述第二水位，z
t
‑1为所述第一水位；
[0083]
子步骤s102
‑
3，将所述代入所述推求表达式(即公式六中)中，确定所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量q。
[0084]
在子步骤s102
‑
3中，将代入公式六中后，利用迭代法求解一元三次方程，得到该河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量q的三个值x1、x2、x3分别为：
[0085][0086][0087][0088]
其中根与系数的关系满足x1 x2 x3＝0，
[0089]
最后，选择大于0且非复数的根x，最终将该x作为该河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量q。
[0090]
如此，通过上述步骤，本发明实施例可实时根据洪水上涨时的测量水位求得河道断面流量，直接表明了洪水发生时水位与流量之间的关系，可在河道洪水发生时获得较高精度的流量数据，可为水文监测、洪水预报、防汛指挥提供了更加准确的原始数据，克服了现有水文监测技术中在发生洪水时由水位推求流量存在较大误差的问题。
[0091]
基于同一发明构思，从第二方面，本发明实施例还公开了一种由水位确定流量的装置，参照图6，所述装置包括：
[0092]
水位测量模块601，用于对所述河道断面在恒定流状态下的第一水位以及在洪水发生时的第二水位分别进行测量；
[0093]
洪水流量推求模块602，用于在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，根据所述第一水位，以及预先确定的所述河道断面在恒定流状态下的比降、河道面积、流量模数、洪水发生时长，对所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量进行推求。
[0094]
进一步的，所述装置还包括：
[0095]
水力推求模块，用于根据所述第一水位，推求所述河道断面的水力半径和河道面积；
[0096]
流量模数计算模块，用于根据所述河道断面的水力半径、所述河道面积以及预先获得的所述河道断面的河道粗糙系数，计算得到所述流量模数。
[0097]
进一步的，所述装置还包括：
[0098]
恒定流参数确定模块，用于确定所述河道断面在恒定流状态下沿河道流向的两测量点间的水位之差以及所述两测量点间的距离；
[0099]
恒定流比降计算模块，用于根据所述两测量点间的水位之差以及所述两测量点间的距离，计算得到所述河道水流在恒定流状态下的比降。
[0100]
进一步的，所述洪水流量推求模块602包括：
[0101]
表达式得到子模块，用于在将该河道在洪水发生时的水面作为倾斜平面的情况下，所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量的推求表达式为：
[0102][0103]
上式中，g为常数，等于所述流量模数其中，n为河道粗糙系数，r为水力半径，a为所述河道面积；s
c
为所述河道断面在恒定流状态下的比降；dz＝δz，表示水位涨落变化值；dt＝δt，表示洪水发生时长；
[0104]
差值求解子模块，用于利用差值法求解其中，z
t
为所述第二水位，z
t
‑1为所述第一水位；
[0105]
洪水流量确定子模块，用于将所述代入所述推求表达式中，确定所述河道断面在洪水发生时的所述第二水位对应的流量q。
[0106]
基于同一发明构思，从第三方面，本发明实施例还公开了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行时实现如本发明实施例第一方面所述的方法。
[0107]
基于同一发明构思，从第四方面，本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，其存储的计算机程序使得处理器执行如本发明实施例第一方面所述的方法。
[0108]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0109]
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0110]
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0111]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0112]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0113]
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
[0114]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。“和/或”表示可以选择两者之中的任意一个，也可以两者都选择。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要
素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0115]
以上对本发明所提供的由水位确定流量的方法、装置、电子设备及介质，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。