本發(fā)明涉及明渠測量，具體涉及一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

1、明渠流速測量在水文學(xué)研究中占據(jù)核心地位，對(duì)于水資源管理、防洪減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)及水利工程設(shè)計(jì)等方面具有深遠(yuǎn)意義。它不僅關(guān)乎水流速度的精確測定，還涉及流量估算、水質(zhì)監(jiān)測及生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估等多個(gè)層面。通過科學(xué)的流速測量技術(shù)，如超聲波多普勒法、雷達(dá)測速法等非接觸式手段，結(jié)合傳統(tǒng)流速儀與水位計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)河流、渠道及排水系統(tǒng)等水體流動(dòng)狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)控。這些數(shù)據(jù)為合理調(diào)配水資源、預(yù)警洪水風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代水利管理不可或缺的技術(shù)支撐。

2、傳統(tǒng)的明渠流速測量時(shí)通過測量上游液位變化值與下游液位變化值相同時(shí)所用的時(shí)間差配合上下游液位計(jì)安裝的間距，計(jì)算出液位計(jì)安裝區(qū)間水流的平均流速；但是在實(shí)際的應(yīng)用中，由于上下游位置水文條件的不同，導(dǎo)致同樣的水流在流經(jīng)上下游位置造成的液位變化也同樣不同，因此通過測量液位變化值相同，并不能準(zhǔn)確計(jì)算同一水流在上下游之間的流經(jīng)時(shí)間和流速；

3、現(xiàn)有技術(shù)也缺乏對(duì)流速測量周期的動(dòng)態(tài)化調(diào)整，往往采用固定周期進(jìn)行測量，無法及時(shí)監(jiān)測到水體流速的轉(zhuǎn)變，當(dāng)水流速過慢時(shí)，會(huì)導(dǎo)致泥沙等懸浮物在渠道底部沉積，從而減少有效過水?dāng)嗝?，影響渠道的輸水能力。還會(huì)增加水體與空氣接觸的時(shí)間，導(dǎo)致更多的水分蒸發(fā)損失。當(dāng)水流速過快時(shí)，則會(huì)對(duì)渠道壁造成較大的沖擊和磨損，縮短渠道的使用壽命，并可能引發(fā)渠道結(jié)構(gòu)以及農(nóng)田土壤基層的破壞。因此需要根據(jù)流速對(duì)流速測量周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)化，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)明渠流速過快或者過慢的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，解決以下技術(shù)問題：

2、由于上下游位置水文條件的不同，僅通過測量液位變化值相同，并不能準(zhǔn)確計(jì)算同一水流在上下游之間的流經(jīng)時(shí)間和流速，現(xiàn)有技術(shù)也缺乏對(duì)流速測量周期的動(dòng)態(tài)化調(diào)整，無法及時(shí)監(jiān)測到水體流速的轉(zhuǎn)變。

3、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

4、一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，包括以下步驟：

5、在明渠的上下游位置各設(shè)置一個(gè)測量點(diǎn)，兩個(gè)測量點(diǎn)相隔的距離設(shè)置為d，所述測量點(diǎn)基于毫米波雷達(dá)測量明渠液面的水面高程，所述水面高程為明渠液面相對(duì)于明渠坡底的高度；

6、對(duì)于任一位置，獲取該位置的水面高程序列，對(duì)所述水面高程序列進(jìn)行滑動(dòng)窗口處理，并對(duì)窗口中的水面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，基于離散度分析出上下游水面波動(dòng)相同時(shí)的水面高程數(shù)據(jù)，標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)高程，將節(jié)點(diǎn)高程的具體測量時(shí)間標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)時(shí)間，分別獲取上下游位置對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)時(shí)間，根據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)間差和相隔距離d測量出待測明渠的水體流速v；

7、設(shè)置初始測量周期t和周期持續(xù)時(shí)長t，每隔測量周期t測量明渠的水體流速v，依次獲得水體流速序列v1，v2，...，vn，并繪制對(duì)應(yīng)的折線圖，其中n=t/t，n為正整數(shù)，計(jì)算水體流速序列的均值va，水體流速序列中超過設(shè)置區(qū)間[a,b]的數(shù)值數(shù)量占總數(shù)n的比例m，并對(duì)折線圖進(jìn)行分段線性擬合，計(jì)算獲得每個(gè)分段直線方程的斜率k；

8、每隔周期持續(xù)時(shí)長t，根據(jù)上個(gè)周期持續(xù)時(shí)長t內(nèi)獲得的指標(biāo)計(jì)算測量調(diào)整系數(shù)α，所述指標(biāo)包括均值va、比例m和斜率k，則調(diào)整系數(shù)α的計(jì)算公式為：

9、；

10、其中，ki表示折線圖中第i個(gè)分段的斜率，i∈[1,n-1]，kmin表示折線圖所有分段斜率值中的最小值，kmax表示折線圖所有分段斜率值中的最大值，a和b分別表示設(shè)置區(qū)間[a,b]的兩個(gè)端點(diǎn)值，根據(jù)獲得的調(diào)整系數(shù)α對(duì)下個(gè)周期持續(xù)時(shí)長t內(nèi)的測量周期t’進(jìn)行調(diào)整計(jì)算，t’=t/α。

11、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：計(jì)算調(diào)整后單個(gè)周期持續(xù)時(shí)長t內(nèi)的流速測量次數(shù)n’=t/t’，當(dāng)計(jì)算結(jié)果n’不為整數(shù)時(shí)，則將n’的數(shù)值向上取整得到n，則優(yōu)化后的測量周期t’=t/n。

12、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述節(jié)點(diǎn)高程的具體獲取過程為：

13、將所述水面高程根據(jù)時(shí)間順序進(jìn)行排序，獲得水面高程序列h1，h2，...，hm，m為正整數(shù)，根據(jù)順序依次將水面高程序列中的水面高程數(shù)值放入所述窗口中，所述窗口容納數(shù)值的數(shù)量設(shè)置為x，獲得w1，w2，...，wx，當(dāng)窗口內(nèi)的數(shù)值數(shù)量達(dá)到x時(shí)，x為正整數(shù)，且x＜m，則將當(dāng)前窗口內(nèi)測量時(shí)間最早的水面高程數(shù)值刪除，每次放入新的水面高程數(shù)值，均刪除一個(gè)最早的水面高程數(shù)值，并對(duì)序列序號(hào)進(jìn)行重新分配，歸一化處理后的數(shù)據(jù)序列標(biāo)記為w1，w2，...，wx，每次放入均計(jì)算當(dāng)前窗口內(nèi)所有數(shù)據(jù)w1，w2，...，wx的方差，當(dāng)連續(xù)5個(gè)窗口上下游的兩個(gè)方差的差值小于預(yù)設(shè)閾值，則將5個(gè)窗口中測量時(shí)間最早的水面高程數(shù)據(jù)標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)高程。

14、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述窗口的容納數(shù)值數(shù)量x根據(jù)明渠放水流量進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)水流量增大時(shí)，根據(jù)水流量增加的比例等比例提升窗口的容納數(shù)值數(shù)量。

15、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述歸一化處理的公式為：

16、；

17、其中wj表示窗口內(nèi)第j個(gè)歸一化后的數(shù)值，j∈[1,x]，wj表示窗口內(nèi)的第j個(gè)數(shù)值，wmin表示窗口內(nèi)最小的數(shù)值，wmax表示窗口內(nèi)最大的數(shù)值。

18、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述窗口中，每次放入新的水面高程數(shù)值，以及刪除當(dāng)前窗口最早的水面高程數(shù)值，均對(duì)數(shù)據(jù)序列的序號(hào)進(jìn)行重新分配，將此時(shí)窗口中最早的水面高程數(shù)值的序號(hào)更新為1。

19、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：還包括基于所述毫米波雷達(dá)測量所處測量點(diǎn)的水體表面流速，計(jì)算上下游的水體表面流速的平均值，并計(jì)算所述平均值與水體流速v的差值絕對(duì)值，以及該差值絕對(duì)值與水體流速v的比例，根據(jù)所述比例等比例增加周期持續(xù)時(shí)長t內(nèi)水體流速的測量次數(shù)。

20、本發(fā)明的有益效果：

21、（1）本發(fā)明通過滑動(dòng)窗口實(shí)時(shí)采集水面高程序列中的數(shù)據(jù)，由于水文條件導(dǎo)致即使同一水流流經(jīng)上下游位置時(shí)，兩處水面波動(dòng)的絕對(duì)值并不相同，但是水流造成的水面波動(dòng)的趨勢(shì)以及相對(duì)變化是接近的，因此本發(fā)明通過設(shè)置固定長度的滑動(dòng)窗口，并將窗口中的數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，以消除數(shù)據(jù)量級(jí)對(duì)計(jì)算的影響，從而更好地體現(xiàn)水流的上下波動(dòng)的波形趨勢(shì)，從而更準(zhǔn)確地獲得同一水流流經(jīng)上下游位置時(shí)的節(jié)點(diǎn)時(shí)間，從而計(jì)算獲得區(qū)間內(nèi)明渠水體的流速；

22、（2）本發(fā)明通過設(shè)置初始測量周期t和周期持續(xù)時(shí)長t，并用水體流速的均值來表示水流流速的流速大小，通過周期持續(xù)時(shí)長內(nèi)超過設(shè)置區(qū)間的數(shù)值比例來表示水體的波動(dòng)情況，再用水體流速折線圖的斜率來表示水體流速的快慢變化趨勢(shì)，所述的初始測量周期實(shí)質(zhì)上是用于表示絕對(duì)平穩(wěn)情況下水體的測量周期，從而以此為基準(zhǔn)，根據(jù)流速、波動(dòng)情況和變化趨勢(shì)為不同情況下的明渠水體設(shè)置對(duì)應(yīng)的測量周期，并且隨著水體出現(xiàn)異常的程度，逐漸提升測量的頻率，從而相對(duì)于固定長度的測量周期，能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)水體的異常情況，且在水體平穩(wěn)時(shí)，測量頻率同樣會(huì)降低，從而起到節(jié)能增效的作用。

技術(shù)特征：

1.一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，其特征在于，計(jì)算調(diào)整后單個(gè)周期持續(xù)時(shí)長t內(nèi)的流速測量次數(shù)n’=t/t’，當(dāng)計(jì)算結(jié)果n’不為整數(shù)時(shí)，則將n’的數(shù)值向上取整得到n，則優(yōu)化后的測量周期t’=t/n。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，其特征在于，所述節(jié)點(diǎn)高程的具體獲取過程為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，其特征在于，所述窗口的容納數(shù)值數(shù)量x根據(jù)明渠放水流量進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)水流量增大時(shí)，根據(jù)水流量增加的比例等比例提升窗口的容納數(shù)值數(shù)量。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，其特征在于，所述歸一化處理的公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，其特征在于，所述窗口中，每次放入新的水面高程數(shù)值，以及刪除當(dāng)前窗口最早的水面高程數(shù)值，均對(duì)數(shù)據(jù)序列的序號(hào)進(jìn)行重新分配，將此時(shí)窗口中最早的水面高程數(shù)值的序號(hào)更新為1。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，其特征在于，還包括基于所述毫米波雷達(dá)測量所處測量點(diǎn)的水體表面流速，計(jì)算上下游的水體表面流速的平均值，并計(jì)算所述平均值與水體流速v的差值絕對(duì)值，以及該差值絕對(duì)值與水體流速v的比例，根據(jù)所述比例等比例增加周期持續(xù)時(shí)長t內(nèi)水體流速的測量次數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于數(shù)據(jù)分析的明渠流速監(jiān)測方法，屬于明渠測量技術(shù)領(lǐng)域，具體包括：在明渠的上下游各設(shè)置一個(gè)測量點(diǎn)，利用毫米波雷達(dá)測量測量點(diǎn)的水面高程，對(duì)每個(gè)位置的水面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)窗口和歸一化處理，通過離散度分析確定波動(dòng)相同時(shí)的節(jié)點(diǎn)高程，并記錄對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)時(shí)間，比較上下游節(jié)點(diǎn)時(shí)間差及距離來計(jì)算水體流速，設(shè)定初始測量周期t和周期持續(xù)時(shí)長，每隔t時(shí)間測量一次流速，并計(jì)算其均值、超出區(qū)間的數(shù)據(jù)比例m以及對(duì)折線圖進(jìn)行分段線性擬合得到的斜率k，每經(jīng)過一個(gè)完整的周期T后，基于上一周期內(nèi)的指標(biāo)計(jì)算調(diào)整系數(shù)α，然后使用α來調(diào)整下一個(gè)周期內(nèi)的測量間隔；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)明渠流速的準(zhǔn)確測量以及測量周期的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

技術(shù)研發(fā)人員：閆玉梅,王思寧
受保護(hù)的技術(shù)使用者：肅豐自動(dòng)技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19