中小河流流量自動(dòng)觀測(cè)方法研究

中小河流流量自動(dòng)觀測(cè)方法研究

1國(guó)內(nèi)流量自動(dòng)采集的方法現(xiàn)在，隨著中小型河流水文監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的發(fā)展，大多數(shù)中小型河流已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)測(cè)量，但流量自動(dòng)采集主要是手動(dòng)流量采集。在這種方法下，流量監(jiān)測(cè)的效率不高，大洪水期間流量測(cè)量的人員安全無(wú)法得到有效保障。因此國(guó)內(nèi)許多學(xué)者開(kāi)展流量自動(dòng)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(cè)流控制斷面布置為驗(yàn)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(yàn)河流段,在該河段設(shè)置5處測(cè)流斷面,其中I和II斷面為上斷面水位遙測(cè)斷面,IV和V斷面為下游遙測(cè)水位觀測(cè)斷面,III斷面作為主要的測(cè)流控制斷面,各斷面布置如圖1所示?；谏舷掠螖嗝嫠挥^測(cè)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(cè)流控制斷面的流量,為對(duì)比反推流量的精度,在III控制斷面運(yùn)用ADCP在汛期進(jìn)行流量觀測(cè),觀測(cè)的流量和采用圣維南方程組計(jì)算的流量進(jìn)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(gè)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(lái)對(duì)其進(jìn)行求解,推算控制斷面的流量,表達(dá)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(duì)方程進(jìn)行差分求解,本次研究主要采用四點(diǎn)加權(quán)差分法對(duì)圣維南方程組的各個(gè)需求變量進(jìn)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(yàn)中主要的變量為需求解的流量Q,m2.3各計(jì)算河段的差分方程本次試驗(yàn)研究主要采用追趕系數(shù)法來(lái)推求方程(2)的近似解,在進(jìn)行圣維南方程組進(jìn)行求解時(shí),將試驗(yàn)河段離散成N個(gè)不同單元的河段,在不同計(jì)算時(shí)段步長(zhǎng)可以得到各個(gè)不同河段的計(jì)算方程,各個(gè)不同河段的計(jì)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(gè)計(jì)算河段的差分方程組:上邊界條件下邊界條件3觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集本次試驗(yàn)研究需要河道地形數(shù)據(jù)、遙測(cè)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)、控制斷面流量觀測(cè)數(shù)據(jù),收集了柳河試驗(yàn)段和登沙河試驗(yàn)段的河道地形觀測(cè)數(shù)據(jù),并收集上、中、下各5個(gè)斷面的遙測(cè)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(yàn)—試驗(yàn)成果驗(yàn)證和分析因?yàn)橹行『恿髡居^測(cè)的流量項(xiàng)目的時(shí)間尺度為日尺度和小時(shí)尺度,因此在試驗(yàn)河段內(nèi)對(duì)控制斷面進(jìn)行日尺度流量觀測(cè)和小時(shí)流量的觀測(cè),運(yùn)用圣維南方程組結(jié)合遙測(cè)水位數(shù)據(jù),對(duì)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(duì)儀器測(cè)驗(yàn)的影響結(jié)合柳河和登沙河試驗(yàn)段遙測(cè)水位和地形數(shù)據(jù),以及運(yùn)用ADCP儀器觀測(cè)的日平均流量數(shù)據(jù),對(duì)比兩個(gè)試驗(yàn)河段在日時(shí)間尺度推求的流量和AD-CP測(cè)流的流量之間的吻合度。分析結(jié)果見(jiàn)表1和圖2,圖3。從表1中可以看出,在2條試驗(yàn)河段當(dāng)流量較大(流量大于20m圖2為2個(gè)試驗(yàn)河段運(yùn)用圣維南方程組推算的流量的ADCP儀器測(cè)驗(yàn)的流量的相關(guān)性圖,從圖中可以看出總體上運(yùn)用圣維南方程組推算的流量與ADCP儀器測(cè)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)的流量誤差都要大于柳河段的相對(duì)誤差,這主要是因?yàn)榱涌傮w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(cè)驗(yàn)的流量相對(duì)誤差要大于柳河試驗(yàn)段的相對(duì)誤差。4.2流量之間的誤差在中小河流上,汛期需要對(duì)洪水過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào),因此在日試驗(yàn)尺度的基礎(chǔ)上,在對(duì)2個(gè)試驗(yàn)河段發(fā)生的多次洪水過(guò)程進(jìn)行研究分析,通過(guò)觀測(cè)2013~2015年之間多場(chǎng)洪水,來(lái)分析圣維南方程組在2個(gè)試驗(yàn)的中小河流段的適用性。分析結(jié)果見(jiàn)表2和圖4,圖5。表2中,2個(gè)試驗(yàn)河段采用圣維南方程組推算的流量和采用ADCP測(cè)流儀器測(cè)量的流量之間的誤差總體上都要差于日試驗(yàn)尺度推算的流量和ADCP測(cè)流儀器觀測(cè)流量之間的相對(duì)誤差。這主要是因?yàn)槿樟髁坎捎昧髁科骄?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(jì)算的相對(duì)誤差大于日試驗(yàn)尺度計(jì)算的誤差。從表中也可看出,流量越大,其相對(duì)誤差值變化趨勢(shì)不一致。但對(duì)比2個(gè)試驗(yàn)河段的小時(shí)尺度試驗(yàn)結(jié)果同樣可以看出,登沙河試驗(yàn)河段通過(guò)圣維南方程組推算的流量和ADCP測(cè)流儀器觀測(cè)流量之間的相對(duì)誤差大都比柳河試驗(yàn)段圣維南方程組推算的流量和ADCP測(cè)流儀器觀測(cè)流量的相對(duì)誤差,這主要是登沙河試驗(yàn)河段順著受到斷面沖淤變化影響小于柳河試驗(yàn)段。5圣維南方程組模擬流量精度的精度分析運(yùn)用圣維南方程組實(shí)現(xiàn)中小河流流量自動(dòng)化推求,選取登沙河和柳河作為原型試驗(yàn)河段,對(duì)試驗(yàn)河段的控制斷面進(jìn)行測(cè)驗(yàn),并結(jié)合圣維南方程組推求的斷面流量,對(duì)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(gè)試驗(yàn)河段,圣維南方程組推求的日平均流量和ADCP測(cè)流儀器觀測(cè)流量之間的相對(duì)誤差小于小時(shí)時(shí)段試驗(yàn)尺度的相對(duì)誤差,該方法主要用于推求中小河流日尺度流量