本發(fā)明涉及明渠測量，具體涉及一種基于液面坡降的明渠流速測量方法。

背景技術(shù)：

1、明渠流速的測量對于水資源管理、水利工程設(shè)計(jì)以及環(huán)境保護(hù)等方面具有重要意義。傳統(tǒng)的明渠流速測量方法主要包括機(jī)械式測速儀、電磁流速儀、超聲波流量計(jì)等。這些方法在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對明渠流速的測量，但仍存在一些不足之處。例如，機(jī)械式測速儀易受水流波動影響，精度較低；電磁流速儀和超聲波流量計(jì)雖然精度較高，但設(shè)備成本較高，且對環(huán)境條件要求較為嚴(yán)格。因此，需要一種簡便、準(zhǔn)確、低成本的明渠流速測量方法。

2、液面坡降法是一種基于明渠水流連續(xù)性方程和能量方程的流速測量方法。通過測量明渠上下游兩個斷面的水面高程差，結(jié)合明渠的幾何尺寸和水力條件，可以計(jì)算出明渠的平均流速。

3、公開號為cn112067841a的發(fā)明專利公開了一種液位時差測量明渠流速的裝置及方法，通過測量上游液位變化值與下游液位變化值相同時所用的時間差配合上下游液位計(jì)安裝的間距，可計(jì)算出液位計(jì)安裝區(qū)間水流的平均流速；然而該方法在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的局限性。由于明渠中初始放水時水面的波動較為劇烈，通過測量上下游液位變化值相同時的時間差，并不能代表液位的變化值是由相同的原因造成的，從而導(dǎo)致測量的誤判。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，解決以下技術(shù)問題：

2、由于明渠中初始放水時水面的波動較為劇烈，通過測量上下游液位變化值相同時的時間差，并不能代表液位的變化值是由相同的原因造成的，從而導(dǎo)致測量的誤判。

3、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

4、一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，包括以下步驟：

5、將兩個水面測量裝置設(shè)置于待測明渠的上下游位置，上下游位置相隔的距離設(shè)置為d，所述水面測量裝置固定于明渠坡底，通過水面測量裝置持續(xù)往復(fù)測量所處位置的水面高程，所述水面高程為明渠液面相對于明渠坡底的高度；

6、對于任一位置，獲取該位置的水面高程序列，將序列中的數(shù)值依次放入預(yù)設(shè)的集合中，所述集合容納數(shù)值的數(shù)量設(shè)置為n，當(dāng)集合中容納的數(shù)值達(dá)到n時，則將此時集合中測量時間最早的水面高程數(shù)值剔除；

7、持續(xù)計(jì)算集合中所有水面高程數(shù)值的方差，當(dāng)方差小于預(yù)設(shè)閾值時，獲取當(dāng)前集合中測量時間最早的水面高程，標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)高程，將節(jié)點(diǎn)高程的具體測量時間標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)時間，分別獲取上游位置對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)時間t1和下游位置對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)時間t2，根據(jù)節(jié)點(diǎn)時間差和相隔距離測量出待測明渠的水體流速。

8、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述水面測量裝置通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動測量針向水面方向行進(jìn)，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的步距角和脈沖數(shù)控制測量針的運(yùn)動速度和精度，當(dāng)測量針接觸水面時，獲取當(dāng)前的測量針伸出長度，根據(jù)伸出長度換算出此時的水面高程，然后驅(qū)動測量針上行脫離水面，當(dāng)測量針上行至初始位置時，則再次驅(qū)動測量針下行向水面方向行進(jìn)。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：通過編碼器記錄測量針伸出長度和對應(yīng)的測量時間；

10、設(shè)置定時器控制測量針的運(yùn)動周期，在每個周期內(nèi)，控制測量針向上運(yùn)動一段距離，然后向下運(yùn)動一段距離，循環(huán)往復(fù)；通過調(diào)整定時器的參數(shù)改變測量針的運(yùn)動頻率和周期。

11、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：將編碼器的記錄數(shù)據(jù)通過無線方式實(shí)時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，并實(shí)時繪制水面高程隨時間變化的曲線圖。

12、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述節(jié)點(diǎn)高程的具體獲取過程為：

13、將所述水面高程根據(jù)時間順序進(jìn)行排序，獲得水面高程序列h1，h2，...，hm，m＞n，根據(jù)順序依次將水面高程序列中的水面高程數(shù)值放入預(yù)設(shè)的集合中，當(dāng)集合內(nèi)的數(shù)值數(shù)量達(dá)到n時，則將當(dāng)前集合內(nèi)測量時間最高的水面高程數(shù)值刪除，每次放入新的水面高程數(shù)值，均刪除一個最早的水面高程數(shù)值，每次放入均計(jì)算當(dāng)前集合內(nèi)所有水面高程數(shù)據(jù)hi，hi+1，...，hi+n-1的方差，當(dāng)連續(xù)3次方差均低于預(yù)設(shè)閾值時，則將首次方差低于預(yù)設(shè)閾值時集合中測量時間最早的水面高程標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)高程。

14、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：將每次測量針下行接觸水面采集的水面高程標(biāo)記為ha，將測量針上行脫離水面時采集的水面高程標(biāo)記為hb，計(jì)算ha與hb的差值，對于差值小于預(yù)設(shè)誤差的水面高程不計(jì)入有效的水面高程數(shù)值。

15、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述集合的容納數(shù)值數(shù)量n根據(jù)水流量和明渠坡度設(shè)置，當(dāng)水流量和明渠坡度增大時，提升集合的容納數(shù)值數(shù)量n。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、本發(fā)明通過在明渠上下游位置設(shè)置水面測量裝置，持續(xù)測量水面高程并通過計(jì)算集合中方差來獲取節(jié)點(diǎn)高程和節(jié)點(diǎn)時間，從而計(jì)算出水體流速。這種方法利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動測量針精確控制測量針的運(yùn)動速度和精度，結(jié)合編碼器記錄測量針伸出長度和對應(yīng)的測量時間，以及定時器控制測量周期，實(shí)現(xiàn)了對水面高程變化的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。通過設(shè)置合適的集合大小和預(yù)設(shè)閾值，測量出水體液面處于穩(wěn)定狀態(tài)下的水體流速；確保了數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。此外，還考慮到了水流量和明渠坡度對集合大小的影響，提高了測量的適應(yīng)性和靈活性。整體上，這種測量方法提供了一種高效、準(zhǔn)確且自動化的方式來監(jiān)測和計(jì)算明渠中的水體流速，有助于水資源管理和環(huán)境保護(hù)。

技術(shù)特征：

1.一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，其特征在于，所述水面測量裝置通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動測量針向水面方向行進(jìn)，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的步距角和脈沖數(shù)控制測量針的運(yùn)動速度和精度，當(dāng)測量針接觸水面時，獲取當(dāng)前的測量針伸出長度，根據(jù)伸出長度換算出此時的水面高程，然后驅(qū)動測量針上行脫離水面，當(dāng)測量針上行至初始位置時，則再次驅(qū)動測量針下行向水面方向行進(jìn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，其特征在于，通過編碼器記錄測量針伸出長度和對應(yīng)的測量時間；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，其特征在于，將編碼器的記錄數(shù)據(jù)通過無線方式實(shí)時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，并實(shí)時繪制水面高程隨時間變化的曲線圖。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，其特征在于，所述節(jié)點(diǎn)高程的具體獲取過程為：

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，其特征在于，將每次測量針下行接觸水面采集的水面高程標(biāo)記為ha，將測量針上行脫離水面時采集的水面高程標(biāo)記為hb，計(jì)算ha與hb的差值，對于差值小于預(yù)設(shè)誤差的水面高程不計(jì)入有效的水面高程數(shù)值。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，其特征在于，所述集合的容納數(shù)值數(shù)量n根據(jù)水流量和明渠坡度設(shè)置，當(dāng)水流量和明渠坡度增大時，提升集合的容納數(shù)值數(shù)量n。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于液面坡降的明渠流速測量方法，屬于明渠測量技術(shù)領(lǐng)域，具體包括：將兩個水面測量裝置設(shè)置于待測明渠的上下游位置，通過水面測量裝置持續(xù)往復(fù)測量所處位置的水面高程；對于任一位置，獲取該位置的水面高程序列，將序列中的數(shù)值依次放入預(yù)設(shè)的集合中，當(dāng)集合中容納的數(shù)值達(dá)到n時，則將此時集合中測量時間最早的水面高程數(shù)值剔除；持續(xù)計(jì)算集合中所有水面高程數(shù)值的方差，當(dāng)方差小于預(yù)設(shè)閾值時，獲取當(dāng)前集合中測量時間最早的水面高程測量時間，并標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)時間，分別獲取上下游位置對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)時間，根據(jù)節(jié)點(diǎn)時間差和相隔距離測量出待測明渠的水體流速；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對穩(wěn)定狀態(tài)下明渠流速的準(zhǔn)確測量。

技術(shù)研發(fā)人員：竺莎莎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：竺莎莎
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9