一种河流断面流量的实时快速监测方法与流程

1.本发明专利属于水文测绘技术领域，尤其涉及一种河流断面流量的实时快速监测方法。


背景技术：

2.河道断面测量是地表水资源计算、水文条件分析以及水文循环研究的基础工作，对掌握河道水情和水资源状况，进行防汛减灾、合理调配利用水资源及跨河、临江的基础建设都具有十分重要的意义。然而，河道断面随着水流侵蚀和人为影响会产生相应的改变，每年需要消耗大量的人力物力去完成相应的测量工作。
3.在我国北方地区，丰水期与枯水期河道流量差距较大。目前进行流量测量的方式主要有以下6种：缆道测流、声学多普勒流速(adcp)、超声波时差法测流、水工建筑物(涵闸)推算流量、水位比降法推算流量、雷达水表面波流速测量再推算流量。常规的河道断面测量作业方法是通过在河岸已知点架设全站仪等测距测角仪器，仪器测定目标船的方位及仪器至目标船的水平距离，通过数学公式计算出目标船的平面位置，根据静水面高程和测定目标船处的水深值，求得目标船处的水底高程值。传统的水下测量方法有平板仪或光学经纬仪配合测深仪的交会定位、地面无线电定位技术配合测深仪、激光测距仪配合经纬仪和测深仪等方法。但目标船容易受到风浪和自身航速的影响很难保证断面航行的线性，特别是在河道断面不规则的地形下，目标船工作存在搁浅等危险。
4.在现有技术中，缆道测流、声学多普勒流速、超声波时差法测流、水工建筑物(涵闸)推算流量等方法测量过程人财物耗费相对较大，部分方法需要特定的地域条件以及河道断面特征，对于路桥较少的天然河道，测量难度相对较大。而水位比降法推算流量、雷达水表面波流速测量再推算流量等方法，推算流量精度相对较差，需要利用历史流量观察数据确定部分参数，无法解决偏远无测站地区历史数据空白地区的流量监测问题，因此，亟待研究一种相对低成本、快捷、准确测算无测站地区河道流量的方法。


技术实现要素：

5.本发明专利的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提出了一种河流断面流量的实时快速监测方法。本发明专利的技术方案是这样实现的：一种河流断面流量的实时快速监测方法，其特征在于，包含如下步骤：
6.s1、河道断面建模：在待测河道中选取多个典型断面，分别测量水下河道形态和水上河道形态，并耦合为典型河道大断面形态；
7.s2、典型断面参数标定：对所述典型断面，选取断面标志点并测量所述断面标志点高程，结合所述典型河道大断面形态，将典型断面数字化；
8.s3、河道模型标定：测量河床糙率，由典型断面建立监控河段的河道数字化模型；
9.s4、实时流量监测：根据需求选择高精度或低精度模式，监测所述河段内河道宽度，计算得到实时流量。
10.优选地，所述待测河道河段内无其他直流汇入或流出，河道宽窄无急剧变化，两侧坡度较缓。
11.优选地，所述水下河道形态通过走航式声学多普勒流速剖面仪获得；水上河道形态通过全站仪测量获得。
12.优选地，所述标志点为能够代表断面形态特征的点位。
13.优选地，所述数字化包含计算a和b断面各点高程、水面高程、断面面积、水力半径、断面间距离和水面比降；所述断面面积、水力半径可通过断面形态计算获得，水面比降通过a和b断面水面高程差和断面间距离差计算获得。
14.优选地，所述河床糙率通过走航式声学多普勒流速仪计算，并通过天然河道经验值进行修正；所述河段植被、衬砌、形态等发生改变，需对所述河床糙率重新测定修正。
15.优选地，所述高精度模式采用高分辨率无人机监控，低精度采用高分变率卫星影像监控。
16.优选地，河道流量利用曼宁公式计算：
[0017][0018]
其中，q为河道流量，a为断面面积，r为水力半径；s为水面比降；n为河床糙率。
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本发明专利通过初步实地测量后，建立相应模型，根据精度需求采用卫星或无人机等方式，能够实现对河道断面流量的实时快速监控。
附图说明
[0020]
图1是一种河流断面流量的实时快速监测方法的流程示意图。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图对本发明专利实施方案进行详细描述。一种河流断面流量的实时快速监测方法，其特征在于，包含如下步骤：
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s1、河道断面建模：在待测河道中选取多个典型断面，分别测量水下河道形态和水上河道形态，并耦合为典型河道大断面形态；所述待测河道河段内无其他直流汇入或流出，河道宽窄无急剧变化，两侧坡度较缓。所述水下河道形态通过走航式声学多普勒流速剖面仪获得；水上河道形态通过全站仪测量获得。
[0023]
s2、典型断面参数标定：对所述典型断面，选取断面标志点并测量所述断面标志点高程，结合所述典型河道大断面形态，将典型断面数字化；标志点为能够代表断面形态特征的点位。所述数字化包含计算a和b断面各点高程、水面高程、断面面积、水力半径、断面间距离和水面比降；所述断面面积、水力半径可通过断面形态计算获得，水面比降通过a和b断面水面高程差和断面间距离差计算获得。
[0024]
s3、河道模型标定：测量河床糙率，由典型断面建立监控河段的河道数字化模型；所述河床糙率通过走航式声学多普勒流速仪计算，并通过天然河道经验值进行修正；所述河段植被、衬砌、形态等发生改变，需对所述河床糙率重新测定修正。
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s4、实时流量监测：根据需求选择高精度或低精度模式，监测所述河段内河道宽
度，计算得到实时流量。所述高精度模式采用高分辨率无人机监控，低精度采用高分变率卫星影像监控。河道流量利用曼宁公式计算：
[0026][0027]
其中，q为河道流量，a为断面面积，r为水力半径；s为水面比降；n为河床糙率。


技术特征：
1.一种河流断面流量的实时快速监测方法，其特征在于，包含如下步骤：s1、河道断面建模：在待测河道中选取多个典型断面，分别测量水下河道形态和水上河道形态，并耦合为典型河道大断面形态；s2、典型断面参数标定：对所述典型断面，选取断面标志点并测量所述断面标志点高程，结合所述典型河道大断面形态，将典型断面数字化；s3、河道模型标定：测量河床糙率，由典型断面建立监控河段的河道数字化模型；s4、实时流量监测：根据需求选择高精度或低精度模式，监测所述河段内河道宽度，计算得到实时流量。2.根据权利要求1所述的一种河流断面流量的实时快速测量方法，其特征在于：所述待测河道河段内无其他直流汇入或流出，河道宽窄无急剧变化，两侧坡度较缓。3.根据权利要求1所述的一种河流断面流量的实时快速测量方法，其特征在于：所述水下河道形态通过走航式声学多普勒流速剖面仪获得；水上河道形态通过全站仪测量获得。4.根据权利要求1所述的一种河流断面流量的实时快速测量方法，其特征在于：所述标志点为能够代表断面形态特征的点位。5.根据权利要求1所述的一种河流断面流量的实时快速测量方法，其特征在于：所述数字化包含计算a和b断面各点高程、水面高程、断面面积、水力半径、断面间距离和水面比降；所述断面面积、水力半径可通过断面形态计算获得，水面比降通过a和b断面水面高程差和断面间距离差计算获得。6.根据权利要求1所述的一种河流断面流量的实时快速测量方法，其特征在于：所述河床糙率通过走航式声学多普勒流速仪计算，并通过天然河道经验值进行修正；所述河段植被、衬砌、形态等发生改变，需对所述河床糙率重新测定修正。7.根据权利要求1所述的一种河流断面流量的实时快速测量方法，其特征在于：所述高精度模式采用高分辨率无人机监控，低精度采用高分变率卫星影像监控。8.根据权利要求1所述的一种河流断面流量的实时快速测量方法，其特征在于：河道流量利用曼宁公式计算：其中，q为河道流量，a为断面面积，r为水力半径；s为水面比降；n为河床糙率。

技术总结
本发明专利公开了一种河流断面流量的实时快速监测方法。包括S1、河道断面建模：在待测河道中选取多个典型断面，分别测量水下河道形态和水上河道形态，并耦合为典型河道大断面形态；S2、典型断面参数标定：对所述典型断面，选取断面标志点并测量所述断面标志点高程，结合所述典型河道大断面形态，将典型断面数字化；S3、河道模型标定：测量河床糙率，由典型断面建立监控河段的河道数字化模型；S4、实时流量监测：根据需求选择高精度或低精度模式，监测所述河段内河道宽度，计算得到实时流量。本发明专利通过初步实地测量后，建立相应模型，根据精度需求采用卫星或无人机等方式，能够实现对河道断面流量的实时快速监控。河道断面流量的实时快速监控。河道断面流量的实时快速监控。


技术研发人员：陈社明 柳富田 张卓 张茜 蒋万军 王威 夏雨波
受保护的技术使用者：中国地质调查局天津地质调查中心
技术研发日：2022.08.11
技术公布日：2022/12/16