本發(fā)明涉及利用聲學時差法在河道近河底流量計算方法及系統(tǒng)，屬于水利計量的。

背景技術：

1、當前全國河道水文測驗遵循的標準是《河流流量測驗規(guī)范》gb?50179-2015?其中，流速儀法被公認為基本的水文流量測驗方法。然而流速儀法存在諸多缺點，例如，由于機械式流速儀的工作原理和結構設計，其測量誤差相對較大。特別是在流速變化較快或水流條件復雜的情況下，流速儀可能無法準確捕捉流速的變化，導致測量結果出現偏差。又如，在天然河道測流時，使用流速儀法進行流速測量確實可能面臨操作復雜的問題。還有就是，流速儀無法完成在線監(jiān)測。

2、現有技術的流速儀法測流選點法施測垂線平均流速，可有一點法、二點法、三點法、五點法、六點法、十一點法共?6?種選擇。但是，該方法在實際操作中可能會受到各種限制，需要預先確保選擇的點具有代表性，導致結果誤差較大。

3、聲學時差法測流技術已經在管道測流和渠道測流應用中取得效果較好，然而，在天然河道流量測驗的應用中還有存在諸多困難，例如天然河流河道斷面具有復雜性，在推廣應用過程中，發(fā)現天然河道測流聲道布設遠比人工渠道布設困難的多，由聲道實測流速計算斷面流量也比管道測流和渠道測流復雜的多。

4、目前常用的河道流量計算模型主要是流速對數公式和流速指數公式,流速對數公式的建立在摻混長理論的基礎上，是上世紀30年代德國流體力學家普朗特提出的一種湍流梯度輸送理論，?用于分析湍流交換系數的行為并建立它和其他湍流參數的關系。對數形式流速分布，雖然有較為嚴密的理論基礎，結構簡單，使用方便，且與河流中實際的流速分布較為符合，為多數人所推薦、使用，但是，卻存在三個不可克服的缺點：（1）在公式推演中，假定摻混長度?l?與水深呈直線關系，與試驗數據不符；（2）公式在河底的流速為負無窮大，與實際情況不符。

5、流速指數公式早期是純經驗公式，后期由勃蘭特等的不完全相似理論給予理論解釋，由此證明了指數公式與對數公式的實質是一致的，同樣存在上述不可克服的缺點，指數公式僅僅是彌補了對數公式在河底的不足。而流速垂線分布指數公式和對數公式具有相同的局限性是由其理論基礎決定的。

技術實現思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題總的來說是提供一種利用聲學時差法計算方法及系統(tǒng)，特別適用于河道近河底的流量計算，能夠解決上述技術難題，為時差法測流技術在天然河道中的應用奠定堅實基礎。

2、為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術方案是：

3、一種利用聲學時差法在河道近河底流量計算方法，包括以下步驟；

4、步驟一，確定河道換算底部高程；

5、步驟二，利用公式計算每個流層的平均流速，用流速面積法計算每個流層的部分流量qi，累加每個流層的部分流量qi最終得測流斷面過流流量q。

6、計算總瞬時流量q?=?q0?+?q1?+?q2?+…qit…+?qt?；

7、；

8、qi=每個流層的部分流量；

9、qt=表面流層的流量；

10、t表示表面流層；

11、ai，單位m2，為河道斷面第?i?條聲道高程與第?i-1?條聲道高程之間的斷面面積，稱為流層面積，即部分面積；其中，當?i=1?時，a1為第一條聲道高程與河道換算底部高程之間的面積；a0為河道換算底部高程以下面積，即河道底部面積；

12、vi，單位m/s，為第?i?條聲道高程與第?i-1?條聲道高程之間流層的平均流速、即部分面積流速；其中，當?i=1?時，v1為第一條聲道高程與河道換算底部高程之間流層的平均流速；v0為河道換算底部高程以下水流的平均流速；進一步，?在步驟二中，執(zhí)行以下步驟；

13、s2.1，設定參數；

14、s2.2,?獲取相鄰聲道流層的平均流速;

15、s2.3，獲取近河底流層的平均流速；

16、s2.4，獲取底部流層平均流速v0?；

17、在步驟s2.1中，

18、z*，單位m，河道換算底部高程；

19、z0，單位m，水深起算高程；

20、h0，單位m,計算水深，當前水位與水深起算高程的差；

21、zi，單位m，第?i?條聲道及聲道高程；

22、z1、z2、z3、z4，依次是近河底聲道，斷面控制聲道，以及中常水聲道、大洪水聲道；

23、vm,i，單位m/s，為第?i?條超聲波聲道實測的橫線平均流速；其中，當?i=0?時，vm,0為河道換算底部高程對應的橫線平均流速；

24、y，無量綱，相對水深，自水深起算高程向上的水深除以計算水深?。

25、進一步，在步驟s2.2中，相鄰兩聲道之間流層平均流速由兩聲道的橫線流速計算獲得，計算公式：

26、；

27、在步驟s2.3中，近河底流層是近河底聲道的第一聲道高程?z1與河道換算底部高程?z*之間的水流；

28、近河底流層平均流速?v1的計算過程考慮如下工作狀態(tài)；

29、s2.3a當工作狀態(tài)處于低水位狀態(tài)時，

30、僅?z1聲道工作，近水面流層平均流速的求解過程如下：

31、s2.3.1a，計算水面流速v0.0?，假設此時水力坡度等于測站斷面河底比降，

32、；

33、其中，vm，1是聲道?z1的實測值，??；其中，g=9.8，,j=河道比降，h=h0?；

34、s2.3.2a，由水面流速?v0.0，計算河道換算底部高程橫線流速；

35、；

36、s2.3.3a，計算近河底流層平均流速?；

37、近河底流層平均流速?由以下式求得：

38、；

39、s2.3b,當工作狀態(tài)處于低水位狀態(tài)時，有兩個或兩個以上聲道工作，且設備處于正常測流狀態(tài);?具體計算步驟如下；

40、s2.3.1b,?獲取第一聲道與第二聲道之間的流層平均流速v2?；

41、；

42、s2.3.2b，獲取近水面以下兩聲道之間的流層平均流速vi的積分公式?；

43、；

44、s2.3.3b，由s2.3.2b的積分公式推導得v*/k的表達式如下：

45、；

46、s2.3.4b，將s2.3.2b的v*/k代入如下公式中，求得河道換算底部高程橫線流速?；

47、；

48、s2.3.5b，近河底流層平均流速由下式求得：

49、；

50、s2.3.6b，計算近河底流程斷面流量，

51、；

52、式中，為近河底流層斷面過流面積。

53、進一步，s2.4，獲取底部流層平均流速v0?；

54、底部流層是河道換算底部高程z*以下河道斷面面積a0對應的水流，底部流層平均流速?v0取決于河道換算底部高程z*的橫線流速?vm,0與底部斷面形狀系數；

55、底部流層平均流速?v0計算步驟如下；

56、s2.4.1，底部斷面形狀系數公式；

57、若起算水深高程以下河道斷面面積??，則定義底部斷面形狀系數公式為：

58、；

59、s2.4.2，計算底部流層平均流速?v0?；

60、底部流層平均流速v0是河道換算底部高程?z*?之橫線流速?vm,0?的線性函數，則底部流層平均流速?v0計算公式為：

61、；

62、式中，為河底斷面形狀系數，由河底邊界條件求得；

63、s2.4.3，底部流層斷面流量計算，

64、。

65、進一步，在步驟s2.4.3中，底部斷面形狀系數通過數據積累，數據積累包括計算數據與實測數據的不斷積累，獲得不同水流流態(tài)下的計算參數，利用大數據?ai?模型進行優(yōu)化，ai?模型采用終身學習機制的深度學習模型，數據積累步驟如下；

66、s2.4.3.1，收集與河底形狀系數相關的河底數據，河底數據包括河床高程數據、橫斷面測量數據、流量數據及流速數據；

67、s2.4.3.2，清洗數據，根據收集河底數據的分布，去除異常值、錯誤數據以及不完整的數據；對河底數據進行標準化或歸一化處理；

68、公式：；

69、通過所述公式將數據線性映射到指定的范圍，其中x是原始數據，xmin和xmax分別是數據集中的最小值和最大值；再從原始數據中提取出滿足要求的特征數據，特征數據作為ai模型的輸入；

70、s2.4.3.3，采用神經網絡模型學習。使用訓練集數據來訓練ai模型，通過調整模型的參數和結構來優(yōu)化模型的性能。

71、s2.4.3.4，將訓練好的ai模型部署到實際的應用場景中，用于預測新的河底形狀系數。

72、進一步，前提是處于河道底部水流的特性具有黏滯性和摩阻性，垂向流速服從線性分布。

73、進一步，河道換算底部高程以上斷面水流服從對數分布。

74、進一步，河道為天然河道。

75、一種利用聲學時差法在河道近河底流量計算系統(tǒng)，系統(tǒng)包括布置在河道中的超聲換能器；

76、用于執(zhí)行上述的計算方法；沿流速垂向，河道換算底部高程分為線性分布區(qū)和對數區(qū)分布區(qū)。

77、本專利通過引入河道換算底部高程概念，河道斷面底部是一個范圍，是貼近凹凸不平河底的狹小空間。處于河道底部水流的特性以黏滯性和摩阻性為主，垂向流速服從線性分布；河道換算底部高程以上斷面水流服從對數分布。為了計算方便，利用河道換算底部高程將流速垂向分布分為兩分區(qū)，即：線性分布區(qū)和對數區(qū)分布區(qū)，其中，貼近河道底部的線性分布區(qū)，用線性公式計算，河道換算底部高程以上的對數分布區(qū)，用對數公式計算，這樣，即規(guī)避了對數公式在水深為零時負無窮大的局限性也更加底部水流的特性。