[发明专利]水位流速流量监测一体化装置、监测系统及监测方法

摘要

本发明公开了一种水位流速流量监测一体化装置、监测系统及监测方法，所述装置包括雷达水位测量模块、雷达流速测量模块、风速测量模块和流量计算模块，所述雷达水位测量模块、雷达流速测量模块和风速测量模块分别与流量计算模块连接；雷达水位测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时水位数据；雷达流速测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时表面流速数据；风速测量模块，用于测量实时风速数据以校正水面流速；流量计算模块，用于根据水位数据、流速数据和风速数据，结合输入的河道/渠道控制断面相关参数，计算得到当前时刻河道/渠道控制断面的流量大小。本发明可以实时监测河道/渠道的水位和流速，并且可以实现实时的流量监测。

主权项

1.一种水位流速流量监测一体化装置，其特征在于：所述监测一体化装置包括雷达水位测量模块、雷达流速测量模块、风速测量模块和流量计算模块，所述雷达水位测量模块、雷达流速测量模块和风速测量模块分别与流量计算模块连接；所述雷达水位测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时水位数据；所述雷达流速测量模块，用于非接触式测量河道/渠道的实时表面流速数据；所述风速测量模块，用于测量实时风速数据以校正表面流速；所述流量计算模块，用于根据水位数据、流速数据和风速数据，结合输入的河道/渠道控制断面相关参数，计算得到当前时刻河道/渠道控制断面的流量大小；其中，所述控制断面相关参数包括高程、糙率和坡降参数；根据水位数据、流速数据和风速数据，结合输入的河道/渠道控制断面相关参数，计算得到当前时刻河道/渠道控制断面的流量大小，具体包括：根据风速和风向，求取风速在水流方向上的速度分量，若该分量与流向相同，将河道/渠道的表面流速数据减去此分量，若该分量与流向相反，将河道/渠道的表面流速数据加上此分量，以实现对流速数据的校正，具体为：基于多普勒频移测速原理，雷达的发射频率固定为f0，当雷达发射波打到流动的水面后，雷达波返回到雷达接收平面，在多普勒效应下，接收信号的频率会发生改变，发射信号与接收信号之间的频率差fd，即差频信号，满足以下等式：其中，c为光速，α为水流方向与目标点‑雷达连线之间的夹角，雷达安装角度调整完毕后，α保持不变，当得到fd时，求得目标流速为：求出当前流速测量的平均表面流速，具体如下：设v_si＝K_v·f_i，其中v_si为各个表面点流速，f_i为对应的差频频率；表面平均流速如下式：其中wi为各个差频频率对应的权重；考虑风速的影响，加入风速校正以后的表面平均流速如下式所示：其中，vw为风速大小，kw为风速系数，θw为风向；风速系数kw的取值与风向θw有关，当风向与流向相同时，kw为正值；当风向与流向相反时，kw为负值；根据获取的水位数据和校正后的流速数据，结合预先输入的河道/渠道控制断面相关参数，基于河道/渠道的水文模型计算得到当前时刻的控制断面流量大小，具体为：假设当前控制断面的高程数据已知，将当前水位高程Z减去各个控制断面高程点CSi，得到控制断面各个代表点的高程差，即水深，如下：Hi＝Z‑CSi  (8)设控制断面各个代表点的水深为Hi，相邻代表点之间的横向距离为xi，那么控制断面当前的过水截面积为：控制断面的流量Q与过水面积S的关系为：其中，为断面平均流速；将断面平均流速转化为表面平均流速断面平均流速与表面平均流速之间的关系满足：其中，K为平均流速系数，K的取值与断面形状CS、河床糙率n、坡降J、水位Z相关，即K＝f(CS,n,J,Z)  (12)根据断面平均流速计算模型，得到断面流量Q、过水面积S和表面平均流速之间的关系为：