一種利用雷達(dá)波測(cè)流儀推算流量的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用雷達(dá)波測(cè)流儀推算流量的方法，包括如下步驟：1)表面流速測(cè)量；2)合成表面流速計(jì)算；3)平均流速計(jì)算；4)流量計(jì)算。本發(fā)明采取建立表面流速和平均流速相應(yīng)函數(shù)關(guān)系的方式推求平均流速，而沒有采用曼寧公式計(jì)算平均流速。本發(fā)明計(jì)算流量時(shí)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)較少，一定程度上避免了測(cè)量帶來的不可避免的誤差，同時(shí)降低了計(jì)算流量所需要的成本和復(fù)雜度，除此之外，在探求表面流速和平均流速關(guān)系時(shí)，可以采用更多的擬合函數(shù)，具有很好的擴(kuò)充性。
【專利說明】
一種利用雷達(dá)波測(cè)流儀推算流量的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明是一種利用雷達(dá)波測(cè)流儀推算流量的方法，主要用于計(jì)算流量，可以廣泛 的使用于各種水文和水利計(jì)算中。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，計(jì)算流量使用最多最廣泛的方法為河道平均流速與河道平均斷面面積相 乘，如公式⑴所示：
[0003] Q = V*A (1)
[0004] 其中：A為河道平均斷面面積，一般采用多個(gè)實(shí)測(cè)斷面面積的平均值，單位平方米 (m2) ;V為河道平均流速，單位米每秒（m/s)，河道平均流速V的計(jì)算一般采用曼寧公式，如 公式（2)所示：
[0005]
(2)
[0006] 其中：η為糙率，S為河流比降，R為水力半徑，由公式⑶計(jì)算：
[0007] R = Α/Χ (3)
[0008] 其中：Α為平均斷面面積，X平均濕周（過流斷面上流體與固體壁面接觸的周界 線）。
[0009] 結(jié)合公式1、公式2和公式3,得到流量計(jì)算公式如公式⑷所示：
[0010]
⑷
[0011] 上述計(jì)算方式存在n、A、X和S四個(gè)需要實(shí)際測(cè)量的變量，因此，必然存在一定誤 差，公式4計(jì)算流量主要誤差來源于以下幾個(gè)方面：
[0012] 1.濕周X的誤差
[0013] 在實(shí)際計(jì)算中，由于各種原因，常常用水深h來代替濕周X進(jìn)行計(jì)算，因此，流量計(jì) 算公式4就變成公式（5)的形式：
[0014]
(5)
[0015] 其中：B為水面寬度。
[0016] 兩種方法計(jì)算流量的相對(duì)誤差為：
[0017]
ce)
[0018] 假設(shè)斷面為矩形，則X = B+2h，公式（6)可變成公式（7)的形式：
[0019]
(7)
[0020] 由此可知，h/B越大，流量計(jì)算的相對(duì)誤差越大，根據(jù)河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范 (GB50179-93)中規(guī)定，當(dāng)河流寬深比大于100稱作寬淺河道，所以根據(jù)公式（7)可知：矩形 斷面寬淺河道用水深h代替水力半徑R計(jì)算流量的相對(duì)誤差范圍在0-1. 33%之間，矩形斷 面深窄河道該項(xiàng)誤差更大。
[0021] 2.糙率誤差
[0022] 影響糙率的因素，從小尺度觀點(diǎn)來看，主要是河床壁材料的組成（如泥沙、卵石、 天然巖石），以及各種材料的粗細(xì)結(jié)構(gòu)，河床壁表面平整程度，飾物植被生長情況等。糙率誤 差對(duì)流量計(jì)算帶來的相對(duì)誤差取決于計(jì)算糙率和實(shí)際糙率的比值，兩者越接近，流量誤差 越小。
[0023] 3.河流比降誤差
[0024] 河流比降及縱比降，以千分率或萬分率表示。河段水面沿河流方向的高程差與相 應(yīng)的河流長度相比，稱之為水面的縱比降。比降誤差對(duì)流量計(jì)算帶來的相對(duì)誤差取決于觀 測(cè)比降和實(shí)際比降的比值的平方根，兩者越接近，流量誤差越小。
[0025] 4.斷面面積誤差
[0026] 在實(shí)際計(jì)算中，常用中斷面面積來代替河流平均斷面面積，這種代替計(jì)算也存在 一定的誤差，斷面面積誤差對(duì)流量計(jì)算帶來的相對(duì)誤差取決于計(jì)算面積和實(shí)際面積比值的 三分之五次方，兩者越接近，流量誤差越小。
[0027] 綜上所述：用曼寧公式計(jì)算平均流速，然后乘以平均斷面面積得到流量的計(jì)算方 式存在一些不足，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
[0028] (1)存在系統(tǒng)誤差：正如上文分析，由于四個(gè)計(jì)算參數(shù)或多或少采用近似計(jì)算或 者在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量過程中不可避免的會(huì)引入誤差，導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算流量的過程存在系統(tǒng)誤差， 同時(shí)這些誤差是相互交叉、相互影響的，因此總體誤差可能部分地相互抵消，也可能累積在 一起而進(jìn)一步放大。
[0029] (2)需要測(cè)量數(shù)據(jù)較多：在該方法計(jì)算流量時(shí)需要測(cè)量河流平均斷面面積、平均 斷面濕周（如用水深h代替水力半徑R則不需測(cè)量該值而需測(cè)量水面寬度）、糙率和河流比 降四個(gè)數(shù)據(jù)，這四個(gè)數(shù)據(jù)的測(cè)量過程也比較復(fù)雜，對(duì)測(cè)量的要求相對(duì)較高，因此給計(jì)算帶來 了一些不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0030] 本發(fā)明主要是提出一種利用雷達(dá)波測(cè)流儀計(jì)算流量的方法，從而為水文和水利行 業(yè)中流量的計(jì)算提供更方便、快捷和經(jīng)濟(jì)的途徑，進(jìn)而減少人力物力成本，提高計(jì)算效率。
[0031] 本發(fā)明是通過以下計(jì)算方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0032] 1.表面流速測(cè)量
[0033] 表面流速測(cè)量使用的是雷達(dá)波測(cè)流儀，雷達(dá)波測(cè)流儀主要利用了多普勒效應(yīng) (Doppler Effect)原理：當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí)，反射信號(hào)頻率將高于發(fā)射機(jī)頻率；反 之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時(shí)，反射信號(hào)頻率將低于發(fā)射機(jī)率。如此即可借由頻率的改變數(shù) 值，計(jì)算出目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)速度。
[0034] 雷達(dá)波測(cè)流儀有如下特點(diǎn)[2]:
[0035] (1)安全可靠、便于攜帶。雷達(dá)波流速儀以非接觸方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量人員在安全 地帶進(jìn)行遙控測(cè)流，因此，沒有安全隱患。而且該儀器體積小，重量輕，便于攜帶，容易安裝。
[0036] (2)精度高、速度快。雷達(dá)波測(cè)流儀運(yùn)行速度達(dá)60m/min，假設(shè)測(cè)驗(yàn)斷面垂線水面 流速為1. OOm/s時(shí)，該儀器每秒可采集4次測(cè)點(diǎn)水面流速。如該測(cè)點(diǎn)測(cè)驗(yàn)歷時(shí)設(shè)置的是20s， 該測(cè)點(diǎn)就可測(cè)得近80個(gè)流速數(shù)據(jù)，去掉10%的最大和最小流速數(shù)據(jù)，然后再平均，部分消 除了纜索和儀器擺動(dòng)的誤差，精度很高。
[0037] (3)受天氣影響較小。該儀器為減小風(fēng)對(duì)儀器的擺動(dòng)影響，儀器外部設(shè)有相應(yīng)的平 衡穩(wěn)定設(shè)施，軟件方面，設(shè)置了有效測(cè)點(diǎn)流速數(shù)據(jù)的讀取程序，可自動(dòng)生成降雨模式測(cè)驗(yàn)。 因此受風(fēng)雨天氣影響較小。
[0038] 本方案使用多探頭雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流儀，可以同時(shí)測(cè)量三個(gè)表面流速。
[0039] 2.合成表面流速計(jì)算
[0040] 根據(jù)測(cè)量的三個(gè)表面流速，利用加權(quán)平均法計(jì)算得到合成表面流速。
[0041] 3.平均流速計(jì)算
[0042] 根據(jù)計(jì)算得到的合成表面流速和同一時(shí)間的實(shí)測(cè)平均流速之間進(jìn)行曲線擬合，得 到兩者之間的函數(shù)關(guān)系，本方案采用二元一次函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)三種曲線擬合。
[0043] (1)二元一次函數(shù)
[0044] 根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，表面流速、水位和平均流速之間存在以下關(guān)系：
[0045] V平均=V表面（X+YH)+C (8)
[0046] 其中：X為流速系數(shù)，Y為水位系數(shù)，Η為水位，C為常數(shù)。因此，將這個(gè)二元一次函 數(shù)作為表面流速和平均流速之間的擬合函數(shù)。
[0047] (2)多項(xiàng)式函數(shù)
[0048] 多項(xiàng)式函數(shù)是由常數(shù)與自變量X經(jīng)過有限次乘法與加法運(yùn)算得到的，其公式如下 所示：
[0049] F (x) = anxn+an1+an 2xn 2+.....+a!x (9)
[0050] 其中an、anl、….&1是自變量x的系數(shù)。
[0051] 當(dāng)η = 1時(shí)，其為一次函數(shù)y = ax+b
[0052] 當(dāng)η = 2時(shí)，其為二次函數(shù)y = ax2+bx+c
[0053] 當(dāng)η = 3時(shí)，其為三次函數(shù)y = ax3+bx2+cx+d
[0054] 本方案中選取η = 1、2、3時(shí)的多項(xiàng)式函數(shù)作為合成表面流速和平均流速之間的擬 合函數(shù)。
[0055] (3)指數(shù)函數(shù)
[0056] 指數(shù)函數(shù)是以指數(shù)為自變量，冪為因變量，底數(shù)為常量的函數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)形式如下所 示：
[0057] y = ax (a>0 且 a 辛 1) (10)
[0058] 當(dāng)0〈a〈l時(shí)，隨著x的增大指數(shù)函數(shù)呈遞減趨勢(shì)；當(dāng)l〈a時(shí)，隨著x的增大指數(shù)函 數(shù)呈遞增趨勢(shì)。
[0059] 本方案使用上述三類函數(shù)作為合成表面流速和平均流速的擬合函數(shù)，擬合時(shí)，各 類函數(shù)系數(shù)的求解采用最小二乘法。
[0060] 最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方 和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求 得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。最小二乘法還可用于曲線擬合。其基本原 理如下：
[0061] 假設(shè)有一組數(shù)據(jù)（Xl，yi)、（x2，y 2)、···..（xn，yn)，將這組數(shù)據(jù)繪制在平面直角坐標(biāo) 系中，如果發(fā)現(xiàn)其分布在某條直線附近（此處以直線為例說明原理），則可以寫出這條直線 方程如公式（14)所示：
[0062] Y = ax+b (11)
[0063] 其中a和b是直線方程的系數(shù)，為任意實(shí)數(shù)。
[0064] 為了得到和離散點(diǎn)擬合程度最好的直線方程即得到一組a和b值使得直線方程最 優(yōu)，必須找到一種直線最優(yōu)的判別依據(jù)（怎樣才算直線方程和離散點(diǎn)擬合最好）。最小二乘 法就是提供這樣一種最優(yōu)判別依據(jù)，其將實(shí)測(cè)值yi和計(jì)算值Y ax 1+b的離差（h-Yj的 平方和Σ 最小作為直線方程最優(yōu)的判別依據(jù)。如果將Y = ax+b代入上述平方和 公式得到：
[0065] Φ = Σ (y廠axfb)2 (12)
[0066] 當(dāng)Σ (y「aXi-b)2最小時(shí)，可求Φ函數(shù)對(duì)a和b的偏導(dǎo)數(shù)，令其偏導(dǎo)數(shù)等于0從而 得到a和b的值，如下所示：
[0067] Σ 2x； (yi-aXi-b) = 0 (13)
[0068] Σ 2 (yi-aXi-b) = 0 (14)
[0069] 由公式（16)和（17)可以計(jì)算出相應(yīng)的a和b的值。
[0070] 綜上所述：本方案提供二元一次函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)（1-3次方）、指數(shù)函數(shù)三種擬合 函數(shù)，然后利用最小二乘法求解各擬合函數(shù)的待定系數(shù)，最終得到各擬合函數(shù)的最優(yōu)方程。 然后檢驗(yàn)各種方程的計(jì)算精度（計(jì)算精度標(biāo)準(zhǔn)采用計(jì)算結(jié)果的均方誤差），選取計(jì)算精度 最高的一個(gè)方程作為合成表面流速和平均流速之間的轉(zhuǎn)換方程。
[0071] 4.流量計(jì)算
[0072] 在計(jì)算得到平均流速V后，本發(fā)明實(shí)測(cè)河道三個(gè)斷面面積，然后對(duì)三個(gè)斷面面積 求算術(shù)平均值作為平均斷面面積A，最后利用Q = A*V計(jì)算得到流量值。
[0073] 綜上所述，本發(fā)明在計(jì)算流量時(shí)，和傳統(tǒng)方法的主要區(qū)別在于：本發(fā)明采取建立 表面流速和平均流速相應(yīng)函數(shù)關(guān)系的方式推求平均流速，而沒有采用曼寧公式計(jì)算平均流 速。本發(fā)明計(jì)算流量時(shí)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)較少，一定程度上避免了測(cè)量帶來的不可避免的誤 差，同時(shí)降低了計(jì)算流量所需要的成本和復(fù)雜度，除此之外，在探求表面流速和平均流速關(guān) 系時(shí)，可以采用更多的擬合函數(shù)，具有很好的擴(kuò)充性。
【附圖說明】
[0074] 圖1:本發(fā)明技術(shù)路線圖。
[0075] 圖2 :雷達(dá)波測(cè)流儀原理示意圖。
[0076] 圖3 :平均斷面面積計(jì)算示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0077] 下面就結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹，但不因具體的實(shí)施例限制本發(fā)明。
[0078] 1.表面流速測(cè)量
[0079] 如圖2所示，雷達(dá)波測(cè)流儀一般有多個(gè)探頭，我們以三個(gè)探頭為例，這三個(gè)探頭在 某一時(shí)刻會(huì)測(cè)量三個(gè)表面流速，我們記為VI、V2、V3,隨著時(shí)間推移，這三個(gè)探頭會(huì)測(cè)量多組 數(shù)據(jù)，我們記為 l(vi、V2、V3)、2(V1、V2、V3)、····、n(Vl、V2、V3)，其中 1、2、"·、η 代表不 同的時(shí)刻。
[0080] 2.合成表面流速計(jì)算
[0081] 對(duì)于某一時(shí)刻的三個(gè)表面流速，我們以第一個(gè)時(shí)刻1 (VI、V2、V3)為例，我們可以 根據(jù)各個(gè)探頭的高度、位置以及河流自身的相關(guān)情況人為設(shè)置三個(gè)探頭對(duì)于合成流速的權(quán) 重值，例如三個(gè)流速對(duì)應(yīng)的權(quán)重值分別為Ρ1、Ρ2、Ρ3，其中Ρ1+Ρ2+Ρ3 = 1。那么我們可以根據(jù) 三個(gè)表面流速得到這一時(shí)刻的合成表面流速，如下公式所示：V1*P1+V2*P2+V3*P3。 同理，可以計(jì)算得到η個(gè)時(shí)刻的合成表面流速Vy、、……、& n。
[0082] 3.平均流速計(jì)算
[0083] (1)整編數(shù)據(jù)
[0084] 通過步驟1和2，我們已經(jīng)得到η個(gè)時(shí)刻的合成表面流速值i^ 2、……、& n)，與此同時(shí)，我們?cè)诿總€(gè)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻測(cè)量得到該斷面實(shí)際的平均流速（VTiSl、VTiS2、……、 V平均n)。因此，我們得到了 η組平均流速和合成表面流速數(shù)據(jù)（V合pV平均J，（V合2、V平均 2)，……，（V^_ n、VTiSn)。我們把數(shù)據(jù)整理成上述形式。
[0085] (2)函數(shù)關(guān)系推求
[0086] 有了多組平均流速和合成表面流速的數(shù)據(jù)，我們就可以利用曲線擬合相關(guān)原理推 求兩者之間的函數(shù)關(guān)系式，本發(fā)明提供二元一次方程、多項(xiàng)式方程和指數(shù)方程三類函數(shù)關(guān) 系作為平均流速和合成表面流速的假定相關(guān)關(guān)系，然后通過最小二乘法求得待定參數(shù)。以 一元一次函數(shù)為例，簡要說明這一過程：
[0087] 假定平均流速和合成表面流速之間存在一元一次函數(shù)關(guān)系即一次函數(shù)VTiS=aVe +b。但是其中參數(shù)a和b待定。根據(jù)最小二乘法原理，實(shí)測(cè)值計(jì)算值V i+#i = aVg 的離差的平方和最小即Φ =Σ (VTiSl-Vi+#1)2最小作為一元一次方程最優(yōu)即平均流速 和合成表面流速的函數(shù)關(guān)系最準(zhǔn)確的判別依據(jù)，當(dāng)Σ (VTiSl-Vi+#1)2最小時(shí)，可求Φ函數(shù) 對(duì)a和b的偏導(dǎo)數(shù)，令其偏導(dǎo)數(shù)等于0從而得到a和b的值，如下所示：
[0088] Σ (V^-aV^-b) = 0 (15)
[0089] Σ 2 (V平均工―已乂合工-b) = 0 (16)
[0090] 然后將η組數(shù)據(jù)（V合i、V平均i)，（V合2、V平均2)，……，（V合 n、V平均n)帶入上述兩個(gè) 公式求得參數(shù)a和b的值，這樣平均流速和合成表面流速的函數(shù)關(guān)系式就建立起來了。當(dāng) 然同理可得兩者的二元一次函數(shù)關(guān)系式、一元二次函數(shù)關(guān)系式、一元三次函數(shù)關(guān)系式、指數(shù) 函數(shù)關(guān)系式。
[0091] (3)最優(yōu)關(guān)系式獲取
[0092] 經(jīng)過（2)已經(jīng)得到兩者的多種函數(shù)關(guān)系式，我們選擇其中最優(yōu)的一個(gè)關(guān)系式作為 平均流速和合成表面流速的最終函數(shù)關(guān)系式，最優(yōu)判斷依據(jù)為計(jì)算結(jié)果的均方誤差，計(jì)算 公式如下所示：
[0093]
(17)
[0094] 4.流量計(jì)算
[0095] 經(jīng)過步驟（3)我們可以利用合成表面流速通過函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到平均流速V，如 圖3所示，我們?cè)谟?jì)算斷面（圖3中的中斷面）的上游和下游一定距離設(shè)置兩個(gè)斷面，然后 將三個(gè)斷面面積的平均值作為計(jì)算斷面最終的平均斷面面積A，最后利用Q = A*V計(jì)算得到 流量值。
[0096] 以上所述僅對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡是在本發(fā)明的權(quán)利要求限定范圍內(nèi)，所做的 任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用雷達(dá)波測(cè)流儀推算流量的方法，包括如下步驟： 1) 表面流速測(cè)量：使用多探頭雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流儀，利用了多普勒效應(yīng)值OPPler Effect)原理，根據(jù)反射信號(hào)頻率的改變數(shù)值，計(jì)算出目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)速度，即得出該點(diǎn) 的表面流速； 2) 合成表面流速計(jì)算：根據(jù)測(cè)量的多個(gè)表面流速，利用加權(quán)平均法計(jì)算得到合成表面 流速； 3) 平均流速計(jì)算：根據(jù)計(jì)算得到的合成表面流速和同一時(shí)間的實(shí)測(cè)平均流速之間進(jìn) 行曲線擬合，得到兩者之間的函數(shù)關(guān)系，采用二元一次函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)=種擬 合函數(shù)，利用最小二乘法求解各擬合函數(shù)的待定系數(shù)，最終得到各擬合函數(shù)的最優(yōu)方程；然 后檢驗(yàn)各種方程的計(jì)算精度（計(jì)算精度標(biāo)準(zhǔn)采用計(jì)算結(jié)果的均方誤差），選取計(jì)算精度最 高的一個(gè)方程作為合成表面流速和平均流速之間的轉(zhuǎn)換方程。 4) 流量計(jì)算：在計(jì)算得到平均流速V后，實(shí)測(cè)河道=個(gè)斷面面積，然后對(duì)=個(gè)斷面面積 求算術(shù)平均值作為平均斷面面積A，最后利用Q = A*V計(jì)算得到流量值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用雷達(dá)波測(cè)流儀推算流量的方法，其特征在于，所述 步驟3)中： 1) 二元一次函數(shù) 表面流速、水位和平均流速之間存在W下關(guān)系： V平均=V表面狂+YH)+C 其中：X為流速系數(shù)，Y為水位系數(shù)，H為水位，C為常數(shù)。因此，將運(yùn)個(gè)二元一次函數(shù)作 為表面流速和平均流速之間的擬合函數(shù)。 2) 多項(xiàng)式函數(shù) 多項(xiàng)式函數(shù)是由常數(shù)與自變量X經(jīng)過有限次乘法與加法運(yùn)算得到的，其公式如下所 示： F (X)=曰。又。+曰。1又。i+a。2又。2+.....+曰1又 其中a。、曰。1、--曰1是自變量X的系數(shù)。 當(dāng)n = 1時(shí)，其為一次函數(shù)y = ax+b 當(dāng)n = 2時(shí)，其為二次函數(shù)y = ax2+bx+c 當(dāng)n = 3時(shí)，其為S次函數(shù)y = ax3+bx2+cx+d 本方案中選取n= 1、2、3時(shí)的多項(xiàng)式函數(shù)作為合成表面流速和平均流速之間的擬合函 數(shù)。 3) 指數(shù)函數(shù) 指數(shù)函數(shù)是W指數(shù)為自變量，幕為因變量，底數(shù)為常量的函數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)形式如下所示： y =曰^ (a〉0 且 a 聲 1) 當(dāng)0<曰<1時(shí)，隨著X的增大指數(shù)函數(shù)呈遞減趨勢(shì)；當(dāng)Ka時(shí)，隨著X的增大指數(shù)函數(shù)呈 遞增趨勢(shì)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用雷達(dá)波測(cè)流儀推算流量的方法，其特征在于：1)表 面流速測(cè)量：使用多探頭雷達(dá)波測(cè)流流儀，在某一時(shí)刻會(huì)測(cè)量得到多個(gè)表面流速，記為VI、 V2、V3...化，隨著時(shí)間推移，運(yùn)S個(gè)探頭會(huì)測(cè)量多組數(shù)據(jù)，我們記為1 (VI、V2、V3...化）、 2(V1、V2、V3...化）......n(Vl、V2、V3...化），其中 1、2、…、n 代表不同的時(shí)刻； 2) 合成表面流速計(jì)算：對(duì)于某一時(shí)刻的多個(gè)表面流速，我們W第一個(gè)時(shí)刻I (VI、 V2、V3...化）為例，根據(jù)各個(gè)探頭的高度、位置W及河流自身的相關(guān)情況人為設(shè)置各探 頭對(duì)于合成流速的權(quán)重值，例如各個(gè)流速對(duì)應(yīng)的權(quán)重值分別為PU P2、P3. .. Pn,其中 P1+P2+P3....+Pn. =1。那么我們可W根據(jù)=個(gè)表面流速得到運(yùn)一時(shí)刻的合成表面流速， 如下公式所示：V合1 = Vl沖1+V2沖2+V3沖3----+化沖n。同理，可W計(jì)算得到n個(gè)時(shí)刻的合 成表面流速V^i、V^2、......、V合。； 3) 平均流速計(jì)算： (1) 整編數(shù)據(jù) 通過步驟1)和2)，我們已經(jīng)得到n個(gè)時(shí)刻的合成表面流速值（V^i、Va2、……、V^。）， 與此同時(shí)，我們?cè)诿總€(gè)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻測(cè)量得到該斷面實(shí)際的平均流速、V^iS2、……、Vto 。)，因此，我們得到了 n組平均流速和合成表面流速數(shù)據(jù)（V合1、V平均1)，（V合2、V平均2)，……， (Va。、。我們把數(shù)據(jù)整理成上述形式； (2) 函數(shù)關(guān)系推求 有了多組平均流速和合成表面流速的數(shù)據(jù)，我們就可W利用曲線擬合相關(guān)原理推求兩 者之間的函數(shù)關(guān)系式，W二元一次方程、多項(xiàng)式方程和指數(shù)方程=類函數(shù)關(guān)系作為平均流 速和合成表面流速的假定相關(guān)關(guān)系，然后通過最小二乘法求得待定參數(shù)，W-元一次函數(shù) 為例： 假定平均流速和合成表面流速之間存在一元一次函數(shù)關(guān)系即一次函數(shù)+b。 但是其中參數(shù)a和b待吿，報(bào)據(jù)景小二乘法原理，實(shí)測(cè)值V巾均1和計(jì)算值- 0?, +6的 離差的平方和最小即最小作為一元一次方程最優(yōu)即平均流速和合成 表面流速的函數(shù)關(guān)系最準(zhǔn)確的判別依據(jù)，當(dāng)^最小時(shí)，可求?函數(shù)對(duì)a和b 的偏導(dǎo)數(shù)，令其偏導(dǎo)數(shù)等于O從而得到a和b的值，如下所示： E 2V合 i (V平均 i_aV合 i_b) = O E 2(V平均 i-aV合 i-b) =O 將n組數(shù)據(jù)（V合I、V平均I ) , (V合2、V平均2 )，......，（V合n、均n)市t述兩個(gè)公式求得 參數(shù)a和b的值，建立平均流速和合成表面流速的函數(shù)關(guān)系式，同理可得兩者的二元一次函 數(shù)關(guān)系式、一元二次函數(shù)關(guān)系式、一元=次函數(shù)關(guān)系式、指數(shù)函數(shù)關(guān)系式； (3) 最優(yōu)關(guān)系式獲取 經(jīng)過（2)已經(jīng)得到兩者的多種函數(shù)關(guān)系式，我們選擇其中最優(yōu)的一個(gè)關(guān)系式作為平均 流速和合成表面流速的最終函數(shù)關(guān)系式，最優(yōu)判斷依據(jù)為計(jì)算結(jié)果的均方誤差，計(jì)算公式 為：4) 流量計(jì)算：通過步驟3利用利用合成表面流速通過函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到平均流速V，在 計(jì)算斷面的上游和下游一定距離設(shè)置兩個(gè)斷面，實(shí)測(cè)河道=個(gè)斷面面積，然后對(duì)=個(gè)斷面 面積求算術(shù)平均值作為平均斷面面積A，最后利用Q = A*V計(jì)算得到流量值。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK106033000SQ201510119760
【公開日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月18日
【發(fā)明人】李波, 楊洪辰, 羅丁, 張?jiān)佇? 李致博, 成虎, 任建, 張遠(yuǎn)康, 胡國峰, 楊牧
【申請(qǐng)人】西安山脈科技發(fā)展有限公司