[发明专利]一种非接触式探测河流断面流量的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及到流量监测技术领域，特别涉及一种非接触式探测河流断面流量的计算方法。

背景技术

现有技术对于水体测量的方法,按照数据取得的方式可以分为直接测量和接触式测量。直接测量和接触式测量主要是采取把测量仪器放入测量目标水体中从而获得水体相关水文参量信息的方法,如使用流速计、海流计、浮标等都是直接测量和接触式测量的方法。但是当外部环境恶劣,如台风、洪水等条件下,直接测量和接触式测量难以实施,无法做到全天候测量，并且在测量点的选取时也要经过反复论证该处水体环境是否适合进行测量，测量范围小。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种可以对河流断面流量进行全天候测量并且测量范围广的方法。

为解决上述技术问题，本发明所提供一种非接触式探测河流断面流量的计算方法，包括如下步骤：

步骤1运用雷达探测河流表面流数据；

步骤2计算明渠流断面流速的分布；

根据流体力学的原理，得到恒定流状态下二维明渠流的控制方程组：

由上述控制方程还是得不到断面流速的分布，要得到流速垂向分布需采用一些半经验的公

式方法。根据Prandtl的混合长度理论l＝κz′的半经验方法，以及内区的切应力τ_zx基本保持常值并且等于边壁切应力τ₀得到如下公式：

分离变量，对微分方程积分后得到：

其中，为摩阻流速，κ是卡门通用常数，积分常数C由实验数据确定。z₀为床面粗糙特征长度，是床面粗糙度k_s的函数，表示流速为零处离河床底部的距离，也就是虚拟床底z'的起始位置，一般取而床面粗糙度k_s则为度量床面粗糙程度的参数；

在外区，因为τ_zx≠τ₀，对数规律不可能与实际复合，必须引入一个函数加以修正，该函数取决于函数h，同时也取决于无因次压力梯度这里引入Coles尾流函数对对数公式进行修正，得到外区经验公式：

其中U_c为断面中的最大流速，为尾流函数，定义为：而Π为尾流参数，取决于纵向梯度力：

对于平衡的水流来说，尾流参数必须保持常值，因而β是一个平衡参数。(2Π/k)代表(z'/δ)＝1处偏离对数规律的部分，水深δ≤h是水流断面中测得最大流速U_c处的深度，如果最大流速出现在水面，则δ≡h。

步骤3确定表面流速与水深的关系；

确定了流速沿水深分布的公式，可以进一步计算出水深的数值。根据流速经验分布公式,表面流速可以表示为与水深h相关的幂次形式：

其中,z₀为床面粗糙特征长度,表示流速为0处离河床底部的距离,也就是虚拟床底的位置。而系数a和m为与河床形态和流况有关的参数；

将摩阻流速表达式带入上述公式得到水深表达式：

k_s是床面粗糙度，S_f为河床比降，g为重力加速度，在天然河川中，当对象为大水深小粒径河床河川时，Engelund的建议是：m＝1/8，A＝9.45。

步骤4确定表面流速与断面平均流速的关系；

在获得了流速沿水深分布后，进一步得到河流断面的平均流速；

①根据以往的经验公式，采用如下近似关系来确定断面平均流速U：

以上参数的数值均代表给定位置的水深，s代表水面；

在天然河川中,在横向床面断面分布不均匀的情况下,按照经验法计算容易造成计算误差，根据流速分布公式,以积分的方式求取断面平均流速；

②根据断面流速公式，对断面流速按内区和外区分别计算积分，以0.2h为内外区分界点，得到外区平均流速U₀，内区平均流速U_i,则断面平均速U可以由公式

U＝0.8U₀+0.2U₁表示，将内外区平均流速表达式带入得到：

将上式除以流速分布公式得到平均流速与表面流速的比值：