一种提高宽浅式梯形干渠流量测量精度和效率的方法

本发明属于渠道流量测量，特别是涉及到一种提高宽浅式梯形干渠流量测量精度和效率的方法。

背景技术：

1、灌溉渠系量水测流技术是灌区管理部门进行正确引水、输水以及水量调配的主要手段之一，是一项基础但非常重要的技术。引水明渠流量的精确度量是进行水资源调配和管理的重要环节，同时也是灌溉区域动态取水、连续计量亟待解决的重要技术问题。由于农业水费价格的提高，灌区供、用水双方对水量监测更为重视并提出新的要求：量水简便符合精度、操作简单。

2、对于常用的梯形渠道，按水力最佳断面设计的渠道断面往往是窄深式的。为此，应求一个宽浅式的梯形断面，使其水深和底宽有一个较广的选择范围以适应各种情况的需要，而在此范围内又能基本上满足水力最佳断面的要求，这种断面称为实用经济断面。《灌溉渠道系统量水规范gb/t 21303—2017》要求测流误差小于5％，灌区管理人员通常采用“六点法”对大型干渠进行测流，对大型干渠来说，为满足渠道不冲流速和渠床稳定，常采用宽深比较大的渠道断面型式即宽浅式梯形断面，应用“六点法”对宽浅式梯形断面进行测流虽然测流精度较高，但是由于明渠紊流流速波动较大，测流精度难以每次都达到5％，且使用“六点法”测一个干渠断面通常都需要1小时以上，效率较低，且不能获取瞬时流量。

3、因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种提高宽浅式梯形干渠流量测量精度和效率的方法，用于解决测流效率精度低、测流耗时长、不能获取瞬时流量的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高宽浅式梯形干渠流量测量精度和效率的方法，包括以下步骤，

3、步骤一、获得干渠的底宽、边坡系数、水深和水力坡度；

4、步骤二、选取干渠横断面垂向测线；用流速仪选点测量垂向测线上的点流速；

5、步骤三、分别将第一相对流速和第二相对流速与相对水深进行曲线拟合分析；拟合相关度较高者作为相对流速的选取；所述第一相对流速为测点实际流速与垂线平均流速之比；所述第二相对流速为测点实际流速与摩阻流速之比；所述相对水深为测点至渠底的距离与对应测线水深的比值；所述摩阻流速计算如下：

6、

7、其中，g为重力加速度，h为测线水深，单位：米，j为水力坡度；

8、步骤四、用正交距离回归法对步骤三选取的相对流速和相对水深在origin软件中尝试所有数学模型，选取相关度最高的方程；

9、步骤五、将流速仪获得的断面平均流速与中垂线平均流速带入步骤四的方程中，获得对应断面平均流速的点在中垂线上的相对水深；将中垂线处水表面相对水深带入步骤四的方程中，获得表面流速和中垂线平均流速的关系式；联立求解，获得断面平均流速和中垂线处表面流速的关系式；

10、步骤六、重复步骤五得到所有垂线表面流速和断面平均流速的关系式；使用origin软件对垂线表面流速和断面平均流速的关系式中的系数与垂线的横向相对位置进行拟合分析，获得断面平均流速与垂线表面流速系数的表达式，表达式如下：

11、

12、其中f(x)为横向相对中垂线距离与水面半宽的比值x在0≤x<0.1333时的系数，g(y)为横向相对中垂线距离与水面半宽的比值y在0.1333≤y<0.4时的系数，h(z)为横向相对中垂线距离与水面半宽的比值z在0.4≤z<0.8时的系数，vx、vy、vz分别为相对横向位置x、y、z处测线的表面流速，单位：米/秒；v为断面平均流速，单位：米/秒；n为测线个数；

13、步骤七、根据步骤一获得的干渠的底宽、边坡系数和水深，计算得到水流的断面面积，根据步骤六的断面平均流速，获得流量与表面流速的关系式，表达式如下：

14、

15、其中q为断面流量，单位为m3/s；a为断面面积，单位为m2；

16、步骤八、根据步骤七的流量与表面流速的关系式，只要测量干渠的表面流速就可以获得干渠的流量。

17、优选的步骤三中采用最小二乘法对相对流速与相对水深进行曲线拟合分析。

18、优选的步骤四中选取的方程为：

19、v/va＝a1(h/h)5+a2(h/h)4+a3(h/h)3+a4(h/h)2+a5(h/h)+b

20、式中：v为测点实际流速，单位为米/秒；va为垂线平均流速，单位为米/秒；h为测点距渠底距离，单位为米；h为测线水深，单位为米；a1、a2、a3、a4、a5为垂向流速分布影响系数，b为常数项。

21、通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

22、1、选取拟合相关度较高者作为相对流速，提高了测量精度；

23、2、通过对横向相对位置与表面流速进行拟合，得出关系式，解决了由于明渠紊流流速波动大导致的测流误差问题；

24、3、通过使用软件origin寻找最符合宽浅式梯形渠道流速分布规律的函数，大大减少了工作量；

25、4、只要测量干渠的表面流速就可以获得干渠的流量，提高了测流效率，且能获取瞬时流量。

技术特征：

1.一种提高宽浅式梯形干渠流量测量精度和效率的方法，其特征在于，包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述一种提高宽浅式梯形干渠流量测量精度和效率的方法，其特征在于，步骤三中采用最小二乘法对相对流速与相对水深进行曲线拟合分析。

3.根据权利要求1所述一种提高宽浅式梯形干渠流量测量精度和效率的方法，其特征在于，步骤四中选取的方程为：

4.根据权利要求1所述一种提高宽浅式梯形干渠流量测量精度和效率的方法，其特征在于，步骤六中表面流速系数的表达式为：

技术总结
本发明公开了一种提高宽浅式梯形干渠流量测量精度和效率的方法，属于渠道流量测量技术领域，包括选点测量垂向测线上的点流速；选取适宜的相对流速和相对水深在Origin软件中尝试所有数学模型，选取相关度最高的方程，从而获得断面平均流速和中垂线处表面流速的关系式，进而获得断面平均流速与垂线表面流速系数的表达式,最终获得流量与表面流速的关系式，这样只要测量干渠的表面流速就可以获得干渠的流量，提高了测流效率，且能获取瞬时流量；解决了由于明渠紊流流速波动大导致的测流误差问题。

技术研发人员：刘鸿涛,赵宇博,陈泽,刘璐,赵瑞娟,赵虎,李怡阳,单春雨,张福军,樊国庆,向丹丹,彭立前,朱梦娜,王征,刘辉,吴波,申聪颖,黄恺,蒋宇,刘春友
受保护的技术使用者：长春工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13