[发明专利]一种高泥沙河道大断面自动测流的方法

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1.一种高泥沙河道大断面自动测流的方法，其特征在于，包括计算糙率模型、计算能坡模型、双垂线与大断面分析模块、计算矩形断面模型、计算三角形模型、计算代表垂线流速模型、计算能坡差模块、泥沙浓度与散射强度回归模型、计算全断面输沙率模块、三层BP网络模型、计算垂线处泥沙淤积厚度模块、计算断面总流量模块。

所述计算糙率模型，其主要功能计算糙率参数；将天然河道断面沿断面宽分成几种不同河床质所构成，顺水流方向为平行带状分布(如图4)，根据河床构成性质不同将其糙率进行分解，每条带状分块的糙率为分块糙率。分析图4分块糙率，不同河床质糙率对应查表确定，将垂线放置在水深和水面宽相同的矩形与三角形断面里，计算垂线左边流速时，糙率用计算垂线右流速时，糙率用计算公式如下：

上式：表示垂线左或右的断面加权平均糙率，即以垂线左或右各分块对应过水断面面积比值，加权平均而来；表示垂线所在糙率区与垂线左或右各部分糙率间相互影响梯度，公式为：

上式：表示垂线处糙率；表示自左岸或右岸开始计算各分块糙率之间沿断面横向影响变化，逐块传递到所求垂线流速处的糙率变化值。相邻两分块糙率间值算式：

上式：表示相邻两分块糙率相减；表示相邻两分块连接位置水深；表示相邻两分块连接点去到下一连接点的距离。

所述计算能坡模型，其主要功能计算能坡参数；

断面垂线的流速的公式：

其中：

表示矩形断面内垂线左或右断面平均流速；表示三角形断面内垂线左或右断面平均流速；表示不过水面积其是垂线的左、右夹在矩形与三角形断面间的部分；表示垂线左、右的矩形与三角形断面面积之差。

得出不规则断面垂线的流速可通过不透水面积的权重进行内插得到断面内其它垂线的垂线平均流速。确定好综合糙率后用垂线流速逆运算法，反求能坡公式计算出垂线处能坡，由(4)式计算得出，已知垂线流速，再用内插的方法计算出断面其它代表垂线的能坡参数。

所述双垂线与大断面分析模块，主要功能是确定两条代表施测垂线位置与对应初始能坡利用走行式ADCP测量出两垂线位置实测流速取作为初始水位，计算大断面，利用水位与河底高程线性内插计算出起点距进而求得大断面。

进一步地，断面主要可分为理想矩形断面和三角形断面以及复杂的天然河道断面。理想矩形断面中任一条垂线将断面分割为左、右两部分断面，左、右两断面平均流速分别乘上改正系数后取均值即为该垂线平均流速，用此垂线平均流速结合能坡计算处其它垂线平均流速，然后用流速-面积法求出断面流量。理想三角形断面水深沿断面宽会随起点距的变化而改变，其垂线流速计算得由矩形断面推演而来，将三角形断面内的各垂线分别放置在垂线水深相同、水面宽相同、流态相同、比降、糙率相应的矩形水槽中，按矩形断面垂线流速方法计算结合转换系数得出三角形断面垂线流速。不规则断面垂线流速的计算需要将计算的代表垂线分别放置在垂线水深相同、水面宽相同、流态相同、比降、糙率相应的假想矩形断面和三角形断面中，分别计算出在两种假想断面中的垂线流速，再由矩形断面平均流速与三角形断面平均流速之差乘上夹在两假想断面间的不过水面积与两假想断面面积差的比值，得到的此权重值为夹在两假想断面间不过水面积的平均流速，结合矩形断面分析得到垂线实际流速，利用能坡求出各垂线流速，由流速-面积法计算出天然河道不规则断面流量。

所述矩形断面模型。缆道固定船式ADCP垂线法首页研究矩形断面平均流速与中垂线的垂线平均流速间的关系，再扩展到断面平均流速与任意垂线平均流速间的关系，最后建立与曼宁公式有相同结构的垂线流速模型。当河床及边壁都均质的情况，垂线流速模型推求。

图1中设中垂线流速为矩形断面平均流速为由曼宁公式可得：

上式：表示比降(能坡)；表示糙率；表示水力半径；α表示垂线流速改正系数其大小与矩形断面宽深比有关。

由垂线分割成的两断面结合矩形断面的曼宁公式得出，水力半径应有：

将式(12)代入(11)式，得到虚拟矩形断面任一垂线流速计算公式：

上式：表示一垂线平均流速；表示糙率；表示能坡；分别表示矩形断面中垂线之左、右水力半径；α表示垂线流速系数。

当有实测断面平均流速时将其与(13)式中去除α结合水力学公式计算出的断面平均流速的比值计算出α，当无实测流量时可用下式计算：

现已将三角形断面垂线流速转化为矩形断面来推求，因此三角形断面垂线平均流速公式应与矩形断面垂线平均流速计算公式一样都与曼宁公式有相同的结构，且三角形断面可分解为矩形断面来推求其算式只在系数上有调整。由数据实测验证结合原理分析得到三角形断面内垂线流速公式：

上式：表示垂线水深；表示水面宽；表示三角形水槽中的垂线流速；分别表示三角形断面内垂线水深对应于矩形断面中垂线左、右水力半径；β表示三角形断面内垂线流速修正系数。

β与三角形断面边坡系数有关参数，计算公式为：

上式：表示由河道流量经验公式直接计算出的三角形断面平均流速；表示三角形断面垂线流速无β求得流速，再利用计算河道流量相关公式得断面平均流速。糙率、比降确定，边坡常数改变，β也随着变化。当边坡常数一定时，三角形底点水深改变时，β不变。

所述计算代表垂线流速模型，矩形断面左垂线流速矩形断面右垂线流速三角形断面左垂线流速三角形断面右垂线流速矩形断面左垂线面积三角形断面左垂线面积得到矩形与三角形断面左面积差同理可得右面积差夹在矩形与三角形断面间的不透水面积由测量垂线上的点分析差分而得得到垂线流速表达式

为初始已知，式中只有能坡一个未知数，求解只需将初始能坡代入即可求得

所述计算能坡差模块，能坡差线性内插出其它垂线能坡参数值，通过垂线流速模型代入各能坡数值对应计算出各垂线流速。

所述泥沙浓度与散射强度回归模型，主要内容如下描述。声波换能器发射在水中传播遇泥沙颗粒散射回波由换能器接收分析，假设泥沙颗粒为球形粒子，则背向散射强度与泥沙浓度关系表达式为：

上式：表示散射回波强度；表示入射强度；表示粒子体积浓度；表示声波覆盖水体体积；表示粒子半径；表示波数；表示回波体到接收器的距离；表示粒子抗压系数；表示水抗压系数；表示粒子质量密度；ρ表示水的质量密度。α表示吸收系数。

从式(18)可知，在其它条件不变或变化不大时，背向散射强度正比于泥沙浓度。因波阵面扩宽、介质散射和吸收等原因，声波强度与距离变化成反相关关系，换能器接收的声波强度信息不再为初强度，初始背散射强度可由ADCP接收的内部信号和声吸收系数结合换能器与散射体距离计算得出：

其中为水温，吸收系数α与ADCP频率、水温及含盐度有关。

经过泥沙实测数据和ADCP散射强度与含沙浓度关系的标定研究，得到在含沙浓度较小时，泥沙浓度与散射强度有较好的线性关系，含沙浓度达到一定浓度时，散射强度会随泥沙含量增加而减小，此转折点与泥沙粒径、浓度和探测系统有关。线性回归模型为：

Logistic非线性型生长模型为：

所述计算全断面输沙率模块，根据泥沙浓度与散射强度回归模型计算用测得的代表垂线上六个测点泥沙浓度，运用六点法计算出垂线平均泥沙浓度再将垂线平均含沙量转换为以垂线为分界的部分输沙量中间部分(两测沙垂线间)用算术平均法，岸边部分用垂线平均含沙量系数法，最后计算出全断面输沙率

所述三层BP网络模型描述如下，泥沙浓度较大时，垂线上泥沙含量分布复杂会影响声波在传播过程中的吸收、散射和界面反射损失，从而影响ADCP接收背向散射信号，散射强度与含沙浓度存在非线性关系。BP算法模拟抽样集，确定向量空间映射之间的关系；通过曲率近似函数来解决将目标转换为非线性优化的问题。BP模型由直接传播和反馈组成，信号从输入层通过隐藏的节点层处理，每一层节点状态只影响下一层的状态，将其导入输出层。若输出信号无法达到预期值，转入反向传播，将误差信号原路返回并在传播过程中修改各层节点的权值和阈值，减小误差到最小再输出。^[1]

泥沙测量的三层BP网络模型，输入层5个节点，由浅入深输入和的五个背向散射强度，第一和第二隐层各有6个节点，是线性和非线性相关层，相关算式为：

第三层由6个线性输出节点组成，可以在6个不同的深度连续输出。线性隐层可以通过模拟不同水位声波的投影和反射来转移到下一层的力值；非线性层基质与线性输出层串联，模拟后散射力与沙浓度的比值，类比为型生长模型的Logistic函数。因此三层BP网络模型可输出任意值。以表示输出节点，表示隐节点，表示输入端，和的阈值分别为与从输入节点到输出节点间权值依次为和给定输入模式μ，对隐节点的输入为：

隐节点的输出为：

隐节点的输入为：

隐节点的输出为：

最终输出为：

在输入模式μ下，实际输出与期望输出相比得到输出总误差：

改进BP算法反向权值修正过程表达：

上式：η表示认知能力，经式(34)、(35)可自动调整认知能力。接连发生迭代梯度同向时，表明坠落过缓，需翻倍优化；接连发生迭代梯度反向时，表明下降过多，应减小步长。根据式(33)至(35)可对输出层至输入层的权值进行逐层修正。最终输出与输入层依次输入的和五个背向散射强度相对应的高精度垂线泥沙浓度(另外还包括水面的含沙浓度)，利用六点法计算垂线平均含沙量，其公式为：

式中：分别表示代表垂线0.8相对水深处的测点含沙量与流速，余类推；表示对应代表垂线平均流速；表示垂线平均含沙量。

垂线平均含沙量转换为以垂线为分界的部分输沙量公式为：

中间部分(两测沙垂线间)用算术平均法，即

岸边部分用垂线平均含沙量系数法，即

其中为岸边部分垂线平均含沙量系数，

全断面输沙率公式为：

上式：表示以垂线为分界的部分输沙量；表示以垂线为分界的断面部分流量。^[2]

两条垂线泥沙淤积厚度计算公式：

利用二能坡法得到的各垂线能坡参数作为权值，根据以测σ₁、σ₂可求其它垂线处泥沙淤积厚度，公式为：

式中：分别为该时刻河底高程和上一时刻河底高程；σ为泥沙淤积厚度；为各垂线对应的能坡参数。

所述计算垂线处泥沙淤积厚度模块描述如下：根据三层BP网络模型计算该时刻河底高程与上一时刻河底高程差值为代表垂线处泥沙淤积厚度。运用各垂线能坡参数求其它垂线处泥沙淤积厚度，(两垂线间)，(左垂线以左)，(右垂线以右)。

所述计算断面总流量模块描述如下：求各垂线间的面积，再求几条代表垂线间包围面积为部分面积；两岸边流速，左、右垂线流速乘岸边系数得到，中间流速可由两条垂线流速取均值而来；部分流量，由代表垂线包围相应的部分面积与部分流速乘积，到＝总的断面流量为各部分流量累加。