[发明专利]一种实时在线测量河道断面面积与流量的装置及方法

说明书

本发明公开了一种实时在线测量河道断面面积与流量的装置，包括投入式超声波流速仪，沉底过河缆道布置在河道断面的河床上，各个投入式超声波流速仪沿沉底过河缆道分布，投入式超声波流速仪包括壳体以及设置在壳体上的气室、超声波探头和水位传感模块，各个投入式超声波流速仪的超声波探头、水位传感模块和通信线缆上的陀螺仪均通过通信线缆与沉底过河缆道连接。本发明还公开了一种实时在线测量河道断面面积与流量的方法，本发明实现流量在线测量，减去人工操作。实时获取流体中的速度，避免表面波干扰，不受天气等环境限制。悬浮式安装不会淤积，不受水草干扰。

技术领域

本发明属于水文监测设备的技术领域，具体一种实时在线测量河道断面面积与流量的装置，还涉及一种实时在线测量河道断面面积与流量的方法。

背景技术

河道流量数据具有极为重要的作用，涉及防洪安全、水文水利计算、水资源评价等各个方面，因此河流流量测量是水文工作的重要内容。河道断面上的各点的流速是不相同的，具体流速分布情况被水利专家们称为流速场。河道流量测量的经典技术也被称为流速-面积法就是测验出河道断面各点流速分布情况，进而将流速等直线图绘制出来，然后通过计算两相邻等速先的均值乘以它们所夹面积并进行累加。该方法每年需要耗费大量的人力物力去完成测验任务。为了减轻流量测验工作量，长期以来，水文工作者都在寻找减少流量测验次数的方法。现代化的河道测流测验方法常用的有两种一种是超声波时差法、另一种利用声学多普勒剖面流速仪来测验，前者能够实现流量在线测量，缺点是不能获得河道断面面积河床面积变化后测量数据有较大误差以及设备固定安装容易被水草和垃圾遮盖导致设备失效，安装和维护困难，第二种方法可以测量河道断面面积和水层流速但是无法实现流量在线测量，每次测量必须多人配合并需要过河设备辅助例如船只、缆道等，流速或风浪较大时会危及测量人员生命安全。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种实时在线测量河道断面面积与流量的装置，还提供一种实时在线测量河道断面面积与流量的方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种实时在线测量河道断面面积与流量的装置，包括投入式超声波流速仪，沉底过河缆道布置在河道断面的河床上，各个投入式超声波流速仪沿沉底过河缆道分布，投入式超声波流速仪包括壳体以及设置在壳体上的气室、超声波探头和水位传感模块，投入式超声波流速仪与通信线缆一一对应，陀螺仪设置在通信线缆上，各个投入式超声波流速仪的超声波探头、水位传感模块以及通信线缆上的陀螺仪均通过通信线缆与沉底过河缆道电性连接。

如上所述的沉底过河缆道包括线缆包覆层、铁链和过河线缆，铁链和过河线缆均设置在线缆包覆层内，超声波探头、水位传感模块和陀螺仪均通过通信线缆与过河线缆电性连接。

一种实时在线测量河道断面面积与流量的方法，包括以下步骤：

步骤1、投入式超声波流速仪通过通信线缆和沉底过河缆道连接的连接点为缆道节点，沉底过河缆道由缆道节点分为多段，每段为一条测线，共分为m条测线，缆道节点为n个，m＝n+1；

步骤2、根据通信线缆的长度和陀螺仪测量的通信线缆的水平夹角θ，计算投入式超声波流速仪距离河底的高度h₁；

步骤3、根据水位传感模块测量投入式超声波流速仪距离水平面的距离h₂；

步骤4、计算投入式超声波流速仪所对应的缆道节点处的河床到水面的距离H＝h₁+h₂；

步骤5、根据每段测线的长度和缆道节点处的河床到水面的距离，计算每段测线上方的河流断面面积；

步骤6、根据超声波探头计算各个测线上方的河流断面的平均流速；

步骤7、根据测线上方的河流端面的平均流速和测线上方的河流断面面积，计算测线对应的河道流量。