中小河流流量自動觀測方法研究

1國內(nèi)流量自動采集的方法現(xiàn)在，隨著中小型河流水文監(jiān)測項目的發(fā)展，大多數(shù)中小型河流已經(jīng)實現(xiàn)了水位的自動測量，但流量自動采集主要是手動流量采集。在這種方法下，流量監(jiān)測的效率不高，大洪水期間流量測量的人員安全無法得到有效保障。因此國內(nèi)許多學(xué)者開展流量自動采集的方法研究。一些學(xué)者在中小河流上安裝多普勒原理的H-DCP2主要測流控制斷面布置為驗證圣維南方程組在推求中小河流控制流量的精度,選定2條中小河流柳河和登沙河作為試驗河流段,在該河段設(shè)置5處測流斷面,其中I和II斷面為上斷面水位遙測斷面,IV和V斷面為下游遙測水位觀測斷面,III斷面作為主要的測流控制斷面,各斷面布置如圖1所示?；谏舷掠螖嗝嫠挥^測數(shù)據(jù),采用圣維南方程推求控制斷面的水位,結(jié)合斷面數(shù)據(jù),反推測流控制斷面的流量,為對比反推流量的精度,在III控制斷面運用ADCP在汛期進行流量觀測,觀測的流量和采用圣維南方程組計算的流量進行相關(guān)性分析,分析該方法在中小河流段流量反推的適用性。2.1數(shù)值差分求解圣維南方程組有2個方程組成,分別為水流的連續(xù)方程以及質(zhì)量守恒定律方程,采用數(shù)值差分的方法來對其進行求解,推算控制斷面的流量,表達式為:式中的各變量均為物理意義解釋,A為斷面面積,m2.2圣維南方程差分求解的基本思想在方程組構(gòu)建完成后,需要對方程進行差分求解,本次研究主要采用四點加權(quán)差分法對圣維南方程組的各個需求變量進行差分求解,該差分求解格式原理如下所示:在方程(2)中,變量θ的物理意義為方程差分的加權(quán)系數(shù),該變量的范圍為0~1之間;變量f的物理意義為方程需求解的變量,在本次試驗中主要的變量為需求解的流量Q,m2.3各計算河段的差分方程本次試驗研究主要采用追趕系數(shù)法來推求方程(2)的近似解,在進行圣維南方程組進行求解時,將試驗河段離散成N個不同單元的河段,在不同計算時段步長可以得到各個不同河段的計算方程,各個不同河段的計算方程如下所示:在上述方程中加入上下邊界條件,可推求出整個計算河段的差分方程組:上邊界條件下邊界條件3觀測數(shù)據(jù)的采集本次試驗研究需要河道地形數(shù)據(jù)、遙測水位觀測數(shù)據(jù)、控制斷面流量觀測數(shù)據(jù),收集了柳河試驗段和登沙河試驗段的河道地形觀測數(shù)據(jù),并收集上、中、下各5個斷面的遙測水位數(shù)據(jù),采用AD-CP采集了控制斷面的流量數(shù)據(jù)。4日尺度試驗—試驗成果驗證和分析因為中小河流站觀測的流量項目的時間尺度為日尺度和小時尺度,因此在試驗河段內(nèi)對控制斷面進行日尺度流量觀測和小時流量的觀測,運用圣維南方程組結(jié)合遙測水位數(shù)據(jù),對比分析該方法在中小河流的流量推求精度。4.1圣維南方程組推演的流量對儀器測驗的影響結(jié)合柳河和登沙河試驗段遙測水位和地形數(shù)據(jù),以及運用ADCP儀器觀測的日平均流量數(shù)據(jù),對比兩個試驗河段在日時間尺度推求的流量和AD-CP測流的流量之間的吻合度。分析結(jié)果見表1和圖2,圖3。從表1中可以看出,在2條試驗河段當(dāng)流量較大(流量大于20m圖2為2個試驗河段運用圣維南方程組推算的流量的ADCP儀器測驗的流量的相關(guān)性圖,從圖中可以看出總體上運用圣維南方程組推算的流量與ADCP儀器測驗的流量的相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。從圖3中可以看出登沙河推求的流量和ADCP儀器測驗的流量誤差都要大于柳河段的相對誤差,這主要是因為柳河總體上為順直河段,且河段沖淤變化較小,而登沙河河段地形較為彎曲,且河段沖淤變化較大,因此登沙河模擬的流量總體上和和ADCP儀器測驗的流量相對誤差要大于柳河試驗段的相對誤差。4.2流量之間的誤差在中小河流上,汛期需要對洪水過程進行預(yù)報,因此在日試驗尺度的基礎(chǔ)上,在對2個試驗河段發(fā)生的多次洪水過程進行研究分析,通過觀測2013~2015年之間多場洪水,來分析圣維南方程組在2個試驗的中小河流段的適用性。分析結(jié)果見表2和圖4,圖5。表2中,2個試驗河段采用圣維南方程組推算的流量和采用ADCP測流儀器測量的流量之間的誤差總體上都要差于日試驗尺度推算的流量和ADCP測流儀器觀測流量之間的相對誤差。這主要是因為日流量采用流量平均值,因此受到斷面沖淤變化影響較小,而洪峰流量受到斷面沖淤變化影響較大。因此洪峰流量計算的相對誤差大于日試驗尺度計算的誤差。從表中也可看出,流量越大,其相對誤差值變化趨勢不一致。但對比2個試驗河段的小時尺度試驗結(jié)果同樣可以看出,登沙河試驗河段通過圣維南方程組推算的流量和ADCP測流儀器觀測流量之間的相對誤差大都比柳河試驗段圣維南方程組推算的流量和ADCP測流儀器觀測流量的相對誤差,這主要是登沙河試驗河段順著受到斷面沖淤變化影響小于柳河試驗段。5圣維南方程組模擬流量精度的精度分析運用圣維南方程組實現(xiàn)中小河流流量自動化推求,選取登沙河和柳河作為原型試驗河段,對試驗河段的控制斷面進行測驗,并結(jié)合圣維南方程組推求的斷面流量,對比圣維南方程組模擬流量的精度,研究得出以下結(jié)論:(1)在兩個試驗河段,圣維南方程組推求的日平均流量和ADCP測流儀器觀測流量之間的相對誤差小于小時時段試驗尺度的相對誤差,該方法主要用于推求中小河流日尺度流量