中小河流流量自动观测方法研究

中小河流流量自动观测方法研究

1国内流量自动采集的方法现在，随着中小型河流水文监测项目的发展，大多数中小型河流已经实现了水位的自动测量，但流量自动采集主要是手动流量采集。在这种方法下，流量监测的效率不高，大洪水期间流量测量的人员安全无法得到有效保障。因此国内许多学者开展流量自动采集的方法研究。一些学者在中小河流上安装多普勒原理的H-DCP2主要测流控制断面布置为验证圣维南方程组在推求中小河流控制流量的精度,选定2条中小河流柳河和登沙河作为试验河流段,在该河段设置5处测流断面,其中I和II断面为上断面水位遥测断面,IV和V断面为下游遥测水位观测断面,III断面作为主要的测流控制断面,各断面布置如图1所示。基于上下游断面水位观测数据,采用圣维南方程推求控制断面的水位,结合断面数据,反推测流控制断面的流量,为对比反推流量的精度,在III控制断面运用ADCP在汛期进行流量观测,观测的流量和采用圣维南方程组计算的流量进行相关性分析,分析该方法在中小河流段流量反推的适用性。2.1数值差分求解圣维南方程组有2个方程组成,分别为水流的连续方程以及质量守恒定律方程,采用数值差分的方法来对其进行求解,推算控制断面的流量,表达式为:式中的各变量均为物理意义解释,A为断面面积,m2.2圣维南方程差分求解的基本思想在方程组构建完成后,需要对方程进行差分求解,本次研究主要采用四点加权差分法对圣维南方程组的各个需求变量进行差分求解,该差分求解格式原理如下所示:在方程(2)中,变量θ的物理意义为方程差分的加权系数,该变量的范围为0~1之间;变量f的物理意义为方程需求解的变量,在本次试验中主要的变量为需求解的流量Q,m2.3各计算河段的差分方程本次试验研究主要采用追赶系数法来推求方程(2)的近似解,在进行圣维南方程组进行求解时,将试验河段离散成N个不同单元的河段,在不同计算时段步长可以得到各个不同河段的计算方程,各个不同河段的计算方程如下所示:在上述方程中加入上下边界条件,可推求出整个计算河段的差分方程组:上边界条件下边界条件3观测数据的采集本次试验研究需要河道地形数据、遥测水位观测数据、控制断面流量观测数据,收集了柳河试验段和登沙河试验段的河道地形观测数据,并收集上、中、下各5个断面的遥测水位数据,采用AD-CP采集了控制断面的流量数据。4日尺度试验—试验成果验证和分析因为中小河流站观测的流量项目的时间尺度为日尺度和小时尺度,因此在试验河段内对控制断面进行日尺度流量观测和小时流量的观测,运用圣维南方程组结合遥测水位数据,对比分析该方法在中小河流的流量推求精度。4.1圣维南方程组推演的流量对仪器测验的影响结合柳河和登沙河试验段遥测水位和地形数据,以及运用ADCP仪器观测的日平均流量数据,对比两个试验河段在日时间尺度推求的流量和AD-CP测流的流量之间的吻合度。分析结果见表1和图2,图3。从表1中可以看出,在2条试验河段当流量较大(流量大于20m图2为2个试验河段运用圣维南方程组推算的流量的ADCP仪器测验的流量的相关性图,从图中可以看出总体上运用圣维南方程组推算的流量与ADCP仪器测验的流量的相关性较好,相关系数均在0.9以上。从图3中可以看出登沙河推求的流量和ADCP仪器测验的流量误差都要大于柳河段的相对误差,这主要是因为柳河总体上为顺直河段,且河段冲淤变化较小,而登沙河河段地形较为弯曲,且河段冲淤变化较大,因此登沙河模拟的流量总体上和和ADCP仪器测验的流量相对误差要大于柳河试验段的相对误差。4.2流量之间的误差在中小河流上,汛期需要对洪水过程进行预报,因此在日试验尺度的基础上,在对2个试验河段发生的多次洪水过程进行研究分析,通过观测2013~2015年之间多场洪水,来分析圣维南方程组在2个试验的中小河流段的适用性。分析结果见表2和图4,图5。表2中,2个试验河段采用圣维南方程组推算的流量和采用ADCP测流仪器测量的流量之间的误差总体上都要差于日试验尺度推算的流量和ADCP测流仪器观测流量之间的相对误差。这主要是因为日流量采用流量平均值,因此受到断面冲淤变化影响较小,而洪峰流量受到断面冲淤变化影响较大。因此洪峰流量计算的相对误差大于日试验尺度计算的误差。从表中也可看出,流量越大,其相对误差值变化趋势不一致。但对比2个试验河段的小时尺度试验结果同样可以看出,登沙河试验河段通过圣维南方程组推算的流量和ADCP测流仪器观测流量之间的相对误差大都比柳河试验段圣维南方程组推算的流量和ADCP测流仪器观测流量的相对误差,这主要是登沙河试验河段顺着受到断面冲淤变化影响小于柳河试验段。5圣维南方程组模拟流量精度的精度分析运用圣维南方程组实现中小河流流量自动化推求,选取登沙河和柳河作为原型试验河段,对试验河段的控制断面进行测验,并结合圣维南方程组推求的断面流量,对比圣维南方程组模拟流量的精度,研究得出以下结论:(1)在两个试验河段,圣维南方程组推求的日平均流量和ADCP测流仪器观测流量之间的相对误差小于小时时段试验尺度的相对误差,该方法主要用于推求中小河流日尺度流量