一種渠道流量的獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種渠道流量的獲取方法，屬于農(nóng)田灌溉領(lǐng)域。該方法包括：測量目標(biāo)渠道的上游水深實(shí)測值和下游水深實(shí)測值；對(duì)其上游的渠道流量和地表水入滲率進(jìn)行預(yù)設(shè)，分別獲取兩者的預(yù)設(shè)值；將上游水深實(shí)測值、上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值代入圣維南方程組中，求解得到目標(biāo)渠道的下游水深模擬值；當(dāng)下游水深模擬值與下游水深實(shí)測值的相對(duì)誤差小于等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則獲取可行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率；反之，則對(duì)上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值進(jìn)行優(yōu)化，重復(fù)上述過程，直至兩者之間的相對(duì)誤差小于等于預(yù)設(shè)閾值，獲取兩個(gè)可行結(jié)果，并可獲取目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)的渠道流量。該方法成本低廉、省時(shí)省力且高效準(zhǔn)確。
【專利說明】
_種渠道流量的獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)田灌溉領(lǐng)域，特別涉及一種渠道流量的獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過灌溉渠系輸配水進(jìn)行地面灌溉是目前應(yīng)用最為廣泛的一種農(nóng)田灌溉方式。灌 溉渠系一般由多級(jí)灌溉渠道構(gòu)成，基于對(duì)各級(jí)灌溉渠道的灌溉需求不同，即其渠道中水流 量的大小不同，所以，為了實(shí)現(xiàn)高效灌溉并同時(shí)達(dá)到節(jié)水的目的，對(duì)于渠道流量的測量十分 重要。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)通常使用流量計(jì)測量渠道流量或者利用水工建筑物測量渠道流量。在利 用流量計(jì)測量的過程中，雖然其測量方便快捷，但是為了實(shí)現(xiàn)精確測量，通常使用昂貴的超 聲波流速儀。在利用水工建筑物測量的過程中，需要在灌溉渠道的特定測點(diǎn)處修建諸如節(jié) 制閘、分水閘等水工建筑物。
[0004] 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下技術(shù)問題：
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)使用的超聲波流速儀成本較高，而修建水工建筑物則會(huì)浪費(fèi)大量的人力 與物力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供了一種成本低廉、省時(shí)省力且高效 準(zhǔn)確的渠道流量的獲取方法。具體技術(shù)方案如下：
[0007] -種渠道流量的獲取方法，所述方法包括：
[0008] 步驟a、測量目標(biāo)渠道的上游水深和下游水深，以獲取所述目標(biāo)渠道的上游水深實(shí) 測值和下游水深實(shí)測值。
[0009] 步驟b、對(duì)所述目標(biāo)渠道上游的渠道流量和所述目標(biāo)渠道的地表水入滲率進(jìn)行預(yù) 設(shè)，獲取上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值。
[0010] 步驟c、將所述上游水深實(shí)測值、所述上游渠道流量預(yù)設(shè)值和所述地表水入滲率預(yù) 設(shè)值代入圣維南方程組中，求解得到所述目標(biāo)渠道的下游水深模擬值。
[0011] 步驟d、將所述下游水深模擬值與所述下游水深實(shí)測值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的相對(duì)誤 差小于等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則確定所述上游渠道流量預(yù)設(shè)值和所述地表水入滲率預(yù)設(shè)值為可 行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率。
[0012] 當(dāng)兩者的相對(duì)誤差大于所述預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則對(duì)所述上游渠道流量預(yù)設(shè)值和所述地 表水入滲率預(yù)設(shè)值進(jìn)行優(yōu)化，并利用優(yōu)化后的上游渠道流量和地表水入滲率再次進(jìn)行所述 步驟c，直至所獲得的下游水深模擬值與所述下游水深實(shí)測值之間的相對(duì)誤差小于等于所 述預(yù)設(shè)閾值，并將此時(shí)優(yōu)化得到的上游渠道流量和地表水入滲率作為可行的上游渠道流量 和可行的地表水入滲率。
[0013] 步驟e、根據(jù)所述可行的上游渠道流量和所述可行的地表水入滲率，獲取所述目標(biāo) 渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量。
[0014] 具體地，作為優(yōu)選，所述步驟a中，通過將水尺豎直放置在所述目標(biāo)渠道的上游和 下游處，來獲取所述目標(biāo)渠道的上游水深實(shí)測值和下游水深實(shí)測值。
[0015] 具體地，作為優(yōu)選，所述步驟c包括:將所述圣維南方程組重新表達(dá)，獲得所述圣維 南方程組的離散表達(dá)式。
[0016] 將所述上游水深實(shí)測值、所述上游渠道流量預(yù)設(shè)值和所述地表水入滲率預(yù)設(shè)值代 入所述圣維南方程組的離散表達(dá)式中，求解得到所述目標(biāo)渠道的下游水深模擬值。
[0017] 其中，所述圣維南方程組如下所示：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中，X為所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)與所述目標(biāo)渠道上游之間的距離，單位為m;t為 所述目標(biāo)渠道被觀測時(shí)刻為零點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，單位為s;A為所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的過 水?dāng)嗝娴拿娣e，單位為m 2，且A= tan0 X h2+wh，w為所述目標(biāo)渠道的底面寬度，單位為m，h為所 述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的水深，單位為m，Θ為所述目標(biāo)渠道的兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角； Q為所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量，單位為m3/s; g為重力加速度，單位為m/s2; ζ為水 面高程，單位為m，且G = Zb+h，Zb為所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠底的相對(duì)高程，單位為m;n 為曼寧糙率，單位為s/mV3，經(jīng)驗(yàn)值為0.001-0.1; I為地表水入滲率，單位為m/s; R為水力半 徑，且R=A/P，其中，P為濕周，單位為m; nt為針對(duì)所述t得到的時(shí)間離散節(jié)點(diǎn)，i針對(duì)所述X得 到的空間離散節(jié)點(diǎn)，i+1/2為空間離散節(jié)點(diǎn)i與i+Ι之間的中點(diǎn)，i-1/2為空間離散節(jié)點(diǎn)i-Ι與 i之間的中點(diǎn)。
[0024] 具體地，作為優(yōu)選，所述步驟d中，通過如下計(jì)算公式獲取所述下游水深模擬值與 所述下游水深實(shí)測值的相對(duì)誤差。
[0025]
[0026]其中，ARE為所述相對(duì)誤差;hc為所述下游水深模擬值，單位為m;hd為所述下游水深 實(shí)測值，單位為m。
[0027]具體地，作為優(yōu)選，所述步驟d中，通過遺傳算法對(duì)所述上游渠道流量預(yù)設(shè)值和所 述地表水入滲率預(yù)設(shè)值進(jìn)行優(yōu)化。
[0028] 具體地，作為優(yōu)選，所述預(yù)設(shè)閾值小于等于1.5%。
[0029] 具體地，作為優(yōu)選，所述預(yù)設(shè)閾值小于1%。
[0030] 具體地，作為優(yōu)選，所述步驟e中，根據(jù)所述可行的上游渠道流量和所述可行的地 表水入滲率，通過如下公式，獲取所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量：
[0031] Qu〇 = IkXL+Qx
[0032] 其中，Quq為可行的上游渠道流量，亦即為最終確定的上游渠道流量預(yù)設(shè)值，單位為 m3/s; Qx為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量，單位為m3/s; Ik為可行的地表水入滲率，亦即為 最終確定的地表水入滲率預(yù)設(shè)值，L為任意測點(diǎn)與目標(biāo)渠道上游之間的距離，單位為m。
[0033] 本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：
[0034] 本發(fā)明實(shí)施例提供的渠道流量的獲取方法，其基于實(shí)際測量得到的目標(biāo)渠道的上 游水深和下游水深，將該上游水深實(shí)測值、上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值代 入圣維南方程組中，求解得到目標(biāo)渠道的下游水深模擬值，并將該下游水深模擬值與下游 水深實(shí)測值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的相對(duì)誤差小于等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，說明該上游渠道流量預(yù)設(shè) 值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值為可行的，反之則對(duì)上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值 進(jìn)行優(yōu)化，直至其可行。通過上述得到的可行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率，即可 計(jì)算得到目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量。該方法無需使用的昂貴的流量計(jì)，且不需要修 建水工建筑物，其僅僅通過測量上下游的水深即可獲得目標(biāo)渠道的渠道流量，成本低廉、省 時(shí)省力且高效準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0035] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲取其他 的附圖。
[0036] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的目標(biāo)渠道沿水流方向上的剖面圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明又一實(shí)施例提供的具有矩形斷面的渠道的剖面圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明又一實(shí)施例提供的具有梯形斷面的渠道的剖面圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明又一實(shí)施例提供的一種渠道流量的獲取方法的流程圖；
[0040] 圖5是本發(fā)明又一實(shí)施例提供的矩形斷面渠道中，上游渠道流量的模擬值與實(shí)測 值隨時(shí)間的變化曲線圖；
[0041] 圖6是本發(fā)明又一實(shí)施例提供的梯形斷面渠道中，上游渠道流量的模擬值與實(shí)測 值隨時(shí)間的變化曲線圖。
[0042]其中，附圖標(biāo)記分別表示：
[0043] h〇 上游水深實(shí)測值，
[0044] hd 下游水深實(shí)測值，
[0045] I 地表水入滲率，
[0046] h 渠道任意測點(diǎn)處的水深，
[0047] W 渠底寬度，
[0048] Θ 渠道兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方 式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0050] 本發(fā)明提供了一種渠道流量的獲取方法，該方法包括：
[0051 ] 步驟101、測量目標(biāo)渠道的上游水深和下游水深，以獲取目標(biāo)渠道的上游水深實(shí)測 值和下游水深實(shí)測值。
[0052] 步驟102、對(duì)目標(biāo)渠道上游的渠道流量和目標(biāo)渠道的地表水入滲率進(jìn)行預(yù)設(shè)，獲取 上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值。
[0053] 步驟103、將上游水深實(shí)測值、上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值代入圣 維南方程組中，求解得到目標(biāo)渠道的下游水深模擬值。
[0054] 步驟104、將下游水深模擬值與下游水深實(shí)測值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的相對(duì)誤差小于 等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則確定上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值為可行的上游渠道流 量和可行的地表水入滲率。
[0055] 當(dāng)兩者的相對(duì)誤差大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則對(duì)上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù) 設(shè)值進(jìn)行優(yōu)化，并利用優(yōu)化后的上游渠道流量和地表水入滲率再次進(jìn)行步驟103,直至所獲 得的下游水深模擬值與下游水深實(shí)測值之間的相對(duì)誤差小于等于預(yù)設(shè)閾值，并將此時(shí)優(yōu)化 得到的上游渠道流量和地表水入滲率作為可行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率。
[0056] 步驟105、根據(jù)可行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率，獲取目標(biāo)渠道任意測 點(diǎn)處的渠道流量。
[0057] 本發(fā)明實(shí)施例提供的渠道流量的獲取方法，其基于實(shí)際測量得到的目標(biāo)渠道的上 游水深和下游水深，將該上游水深實(shí)測值、上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值代 入圣維南方程組中，求解得到目標(biāo)渠道的下游水深模擬值，并將該下游水深模擬值與下游 水深實(shí)測值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的相對(duì)誤差小于等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，說明該上游渠道流量預(yù)設(shè) 值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值為可行的，反之則對(duì)上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值 進(jìn)行優(yōu)化，直至其可行。通過上述得到的可行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率，即可 計(jì)算得到目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量。該方法無需使用的昂貴的流量計(jì)，且不需要修 建水工建筑物，其僅僅通過測量上下游的水深即可獲得目標(biāo)渠道的渠道流量，成本低廉、省 時(shí)省力且高效準(zhǔn)確。
[0058] 具體地，本發(fā)明實(shí)施例中所述的"上游"和"下游"分別指的是目標(biāo)渠道的渠首位置 和渠尾位置。目標(biāo)渠道的上游水深實(shí)測值指的是目標(biāo)渠道的上游水面與渠底之間的高度 差，例如其為圖1中所示的h u;目標(biāo)渠道的下游水深實(shí)測值指的是目標(biāo)渠道的下游水面與渠 底之間的高度差，例如其為圖1中所示的hd;圖1中的I為目標(biāo)渠道的地表水入滲率，h為目標(biāo) 渠道任意測點(diǎn)處的水深。在本發(fā)明實(shí)施例中，該目標(biāo)渠道的上游水深實(shí)測值和下游水深實(shí) 測值可以通過使用液位計(jì)、測深錘、測深桿、水尺等工具來測量得到?；诓僮骱啽憧旖莸?目的，優(yōu)選將水尺豎直放置在目標(biāo)渠道的上游和下游位置處，通過讀取水尺位于水面處的 刻度來獲取目標(biāo)渠道的上游水深實(shí)測值和下游水深實(shí)測值。
[0059] 在獲取目標(biāo)渠道的上游水深實(shí)測值和下游水深實(shí)測值之后，通過步驟102來對(duì)目 標(biāo)渠道上游的渠道流量和目標(biāo)渠道的地表水入滲率進(jìn)行預(yù)設(shè)，即估算目標(biāo)渠道位于上游位 置處的渠道流量以及目標(biāo)渠道的平均地表水入滲率。在此過程中，主要根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng) 驗(yàn)來預(yù)設(shè)這兩個(gè)值，以提高上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值的可行性。
[0060] 進(jìn)一步地，本發(fā)明實(shí)施例基于前述步驟得到的數(shù)據(jù)，通過步驟103來獲取目標(biāo)渠道 的下游水深模擬值。具體地，步驟103包括:將圣維南方程組重新表達(dá)，獲得圣維南方程組的 離散表達(dá)式。將上游水深實(shí)測值、上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值代入圣維南 方程組的離散表達(dá)式中，求解得到目標(biāo)渠道的下游水深模擬值。
[0061] 其中，圣維南方程組如下所示：
[0062]
[0063]
[0064] 其中，X為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)與目標(biāo)渠道上游之間的距離，單位為m;t為目標(biāo)渠道 被觀測時(shí)刻為零點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，單位為s;A為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的過水?dāng)嗝娴拿娣e，單位 為m 2,且A = tan0Xh2+wh，w為目標(biāo)渠道的底面寬度，單位為m，h為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的水 深，單位為m，Θ為目標(biāo)渠道的兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角;Q為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道 流量，單位為m 3/s ; g為重力加速度，單位為m/s2; ζ為水面高程，單位為m，且ζ = Zb+h，Zb為目 標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠底的相對(duì)高程，單位為m;n為曼寧糙率，單位為s/m1/3,經(jīng)驗(yàn)值為 0.001-0.1; I為地表水入滲率，單位為m/s; R為水力半徑，且R = A/P，其中，P為濕周，單位為 m〇
[0065] 過水?dāng)嗝娴拿娣eA可根據(jù)A = tan0Xh2+wh進(jìn)行計(jì)算，其中，如圖2和圖3所示，Θ為渠 道兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角，w為渠底寬度。舉例來說，當(dāng)渠道的剖面為矩形時(shí)，如圖2所 示，渠道兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角Θ為0°，過水?dāng)嗝娴拿娣eA = wh。當(dāng)渠道的剖面為梯形 時(shí)，如圖3所示，渠道兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角Θ大于〇°，過水?dāng)嗝娴拿娣eA = tan0 Xh2+ wh〇
[0066] 具體地，上述的ζ為水面高程，一般選擇比整條渠道的底部低的某一水平面作為基 準(zhǔn)面，如圖1所示。那么，e=zb+h中的Z b為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠底與基準(zhǔn)面之間的相對(duì) 高度，h為目標(biāo)渠道測點(diǎn)處的水深。
[0067] 由上述可知，圣維南方程組建立在連續(xù)的時(shí)間與空間坐標(biāo)軸上，如此難以被求解。 為了方便快捷地對(duì)其進(jìn)行求解，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)圣維南方程組重新表達(dá)，以使用數(shù)值方法 將圣維南方程組所在的時(shí)間與空間區(qū)域進(jìn)行離散，獲得圣維南方程組的離散表達(dá)式。如此 即可實(shí)現(xiàn)方便地對(duì)圣維南方程組進(jìn)行求解。
[0068] 所獲得的圣維南方程組的離散表達(dá)式如下所示：
[0069]
[0070]
[0071] 具中，nt為針對(duì)t得到的時(shí)丨日」咼敢節(jié)點(diǎn)，i針對(duì)x得到的空間離散節(jié)點(diǎn)，i+1/2為空間 離散節(jié)點(diǎn)i與i+Ι之間的中點(diǎn)，i-1/2為空間離散節(jié)點(diǎn)i-Ι與i之間的中點(diǎn)。
[0072] 如上所示，具體地，時(shí)間可以被離散成0、1、2、3、……、m、nt+l等有限個(gè)，例如10-30 個(gè)時(shí)間離散節(jié)點(diǎn)，空間也被離散成〇、1、2、3、……、i、i+Ι等有限個(gè)，例如10-30個(gè)空間離散節(jié) 點(diǎn)。相鄰兩個(gè)時(shí)間離散節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差就是時(shí)間步長At，相鄰兩個(gè)空間離散節(jié)點(diǎn)之間的 距離就是空間步長A X。在所取的時(shí)間步長△ t均保持一致，且所取的空間步長△ X均保持一 致的條件下，可以利用有限體積法將任意時(shí)間離散節(jié)點(diǎn)m和任意空間離散節(jié)點(diǎn)i下所對(duì)應(yīng) 的目標(biāo)渠道的過流斷面面積和渠道流量求解出來。在利用有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解過程中 涉及的初始條件、邊界條件等的選擇采用本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)手段即可。
[0073]舉例來說，可以設(shè)定目標(biāo)渠道上游處的空間節(jié)點(diǎn)與時(shí)間節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（i，nt)為(0， 〇)，并預(yù)設(shè)目標(biāo)渠道上游位置處的上游渠道流量預(yù)設(shè)值為Qo，目標(biāo)渠道的地表水入滲率預(yù) 設(shè)值為1〇,設(shè)定重力加速度g為9.8m/s 2,獲取目標(biāo)渠道上游處的水面高程，確定曼寧糙率的 經(jīng)驗(yàn)值，獲取目標(biāo)渠道上游處的水力半徑及渠底的相對(duì)高程，利用上述數(shù)據(jù)代入圣維南方 程組的離散表達(dá)式中，計(jì)算得到目標(biāo)渠道的上游處的過水?dāng)嗝娴拿娣e為Ao,目標(biāo)渠道的地 表水入滲率為I Q。然后，將上游渠道流量預(yù)設(shè)值QQ、目標(biāo)渠道的上游處的過水?dāng)嗝娴拿娣eA0 及地表水入滲率Io代入圣維南方程組的離散表達(dá)式中，獲取在鄰近的時(shí)空節(jié)點(diǎn)（1，1)處的 渠道流量模擬值為Qi、過水?dāng)嗝娴拿娣e六:、地表水入滲率模擬值I 1;同樣的，將節(jié)點(diǎn)（I，1)處 的渠道流量模擬值為Q1、過水?dāng)嗝娴拿娣eA1、地表水入滲率模擬值1:代入圣維南方程組的離 散表達(dá)式中，獲取鄰近的節(jié)點(diǎn)(2，2)處的渠道流量模擬值為Q 2、過水?dāng)嗝娴拿娣e知、地表水入 滲率模擬值I2，依次類推，可獲得目標(biāo)渠道下游渠道流量模擬值Q。、下游過水?dāng)嗝娴拿娣eA。、 下游地表水入滲率模擬值I。。進(jìn)一步地，根據(jù)下游過水?dāng)嗝娴拿娣eA。及渠底寬度w得到下游 水深模擬值。
[0074]在獲取了目標(biāo)渠道的下游水深模擬值后，為了驗(yàn)證上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水 入滲率預(yù)設(shè)值是否接近于其實(shí)際值，本發(fā)明實(shí)施例通過步驟104來獲取下游水深模擬值與 下游水深實(shí)測值的相對(duì)誤差。具體地，該相對(duì)誤差的計(jì)算公式如下；
[0075]
[0076] 其中，ARE為相對(duì)誤差;h。為下游水深模擬值，單位為m;hd為下游水深實(shí)測值，單位 為m〇
[0077] 通過計(jì)算下游水深模擬值與下游水深實(shí)測值的相對(duì)誤差可以反應(yīng)出上游渠道流 量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值是否為可行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率，這一 計(jì)算過程為保證本發(fā)明實(shí)施例提供的方法獲取高精度的渠道流量奠定了基礎(chǔ)。
[0078] 在獲取下游水深模擬值與下游水深實(shí)測值的相對(duì)誤差之后，將其與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行 比較，其中，預(yù)設(shè)閾值的大小由所期望達(dá)到的流量精度來確定，一般情況下，預(yù)設(shè)閾值小于 等于1.5%，作為優(yōu)選，預(yù)設(shè)閾值小于1%，例如可以設(shè)置為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%等。
[0079] 當(dāng)下游水深模擬值與下游水深實(shí)測值的相對(duì)誤差小于等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，此時(shí)可以 確定步驟102中所估算的上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值接近其實(shí)際值，為可 行的。反之，如若下游水深模擬值與下游水深實(shí)測值的相對(duì)誤差大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則說明步 驟102中所估算的上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值與其實(shí)際值偏差很大，此時(shí) 需要在首次估算的上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值的基礎(chǔ)上，對(duì)它們進(jìn)行調(diào)整 優(yōu)化，再次估算并獲得上游渠道流量的第二預(yù)設(shè)值和地表水入滲率第二預(yù)設(shè)值，然后將再 次估算的兩者與上游水深實(shí)測值一并代入圣維南方程組的離散表達(dá)式中再次求解目標(biāo)渠 道的下游水深模擬值，直至所獲得的下游水深模擬值與下游水深實(shí)測值的相對(duì)誤差小于等 于預(yù)設(shè)閾值時(shí)為止。
[0080] 具體地，步驟104中，通過遺傳算法對(duì)上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值 進(jìn)行優(yōu)化?？梢岳斫獾氖?，所述的遺傳算法為一種常見的數(shù)據(jù)計(jì)算模型，通過使用遺傳算法 對(duì)上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率進(jìn)行優(yōu)化，能夠高效地獲得高精度的可行的上游渠 道流量和可行的地表水入滲率。
[0081] 具體地，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化的過程為：當(dāng)獲得的下游水深模擬值與下游水深 實(shí)測值之間的相對(duì)誤差大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，需要將此時(shí)的上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲 率預(yù)設(shè)值輸入事先預(yù)置的遺傳算法優(yōu)化軟件程序中，遺傳算法優(yōu)化軟件程序首先對(duì)上游渠 道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值進(jìn)行編碼處理，并隨機(jī)產(chǎn)生多個(gè)上游渠道流量預(yù)設(shè)值 編碼串個(gè)體及地表水入滲率預(yù)設(shè)值編碼串個(gè)體。之后將多個(gè)上游渠道流量預(yù)設(shè)值編碼串個(gè) 體及地表水入滲率預(yù)設(shè)值編碼串個(gè)體處理得到對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)型（即二進(jìn)制編碼），并將多個(gè)上 游渠道流量預(yù)設(shè)值編碼串個(gè)體的表現(xiàn)型及地表入滲率模擬值編碼串個(gè)體的表現(xiàn)型依次代 入圣維南方程組，直到得到符合其ARE值小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)的下游水深模擬值，將此時(shí)獲取的 可行的上游渠道流量、可行的地表水入滲率、下游水深模擬值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，輸出結(jié)果。
[0082] 具體地，步驟105中，根據(jù)可行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率，通過如下 公式，獲取目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量：
[0083] Qu〇 = IkXL+Qx
[0084] 其中，Quq為可行的上游渠道流量，亦即為最終確定的上游渠道流量預(yù)設(shè)值，單位為 m3/s; Qx為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量，單位為m3/s; Ik為可行的地表水入滲率，亦即為 最終確定的地表水入滲率預(yù)設(shè)值，L為任意測點(diǎn)與目標(biāo)渠道上游之間的距離，單位為m。
[0085] 基于上述可知，本發(fā)明實(shí)施例提供的方法的操作流程可參見圖4所示的流程圖。由 此可見，本發(fā)明實(shí)施例提供的方法僅僅通過測量上下游的水深即可獲得目標(biāo)渠道上任意測 點(diǎn)的渠道流量，具有成本低廉、省時(shí)省力且高效準(zhǔn)確的特點(diǎn)。
[0086] 以下將通過具體實(shí)施例進(jìn)一步地描述本發(fā)明。
[0087] 實(shí)施例1
[0088]本實(shí)施例以河北冶河灌區(qū)一長度為1000米，具有矩形斷面的渠道為例，采用本發(fā) 明實(shí)施例提供的方法獲取其渠道流量。其中，該矩形斷面渠道的一些基本參數(shù)有:渠底寬度 為3.97m，糙率系數(shù)η取0.022s . nfV3，重力加速度g為9.8m/s2，上游渠底的相對(duì)高程Zb為 0.5m，渠道上游水力半徑R的預(yù)設(shè)值為0.86m。具體地，利用本發(fā)明實(shí)施例提供的方法獲取渠 道流量的過程如下：
[0089] 步驟101、采用水尺測量該矩形斷面渠道的上游水深和下游水深，獲取其上游水深 實(shí)測值h u為1.5 Im，下游水深實(shí)測值hd為1.33m。
[0090] 步驟102、對(duì)矩形斷面渠道上游的渠道流量和矩形斷面渠道的地表水入滲率進(jìn)行 預(yù)設(shè)，獲取其上游渠道流量預(yù)設(shè)值Qo為5.98m 3/s，地表水入滲率預(yù)設(shè)值Io為0.0 OOlmVs。
[0091] 步驟103、將上述上游水深實(shí)測值hu、上游渠道流量預(yù)設(shè)值Qo和地表水入滲率預(yù)設(shè) 值Io及提供的矩形斷面渠道的其他參數(shù)代入圣維南方程組的離散表達(dá)式中，求解得到矩形 斷面渠道的下游水深模擬值h。為1.334m。其中，圣維南方程組的離散表達(dá)式如下所示：
[0092]
[0093]
[0094] 其中，X為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)與目標(biāo)渠道上游之間的距離，單位為m;t為目標(biāo)渠道 被觀測時(shí)刻為零點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，單位為s;A為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的過水?dāng)嗝娴拿娣e，單位 為m 2,且A = tan0Xh2+wh，w為目標(biāo)渠道的底面寬度，單位為m，h為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的水 深，單位為m，Θ為目標(biāo)渠道的兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角;Q為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道 流量，單位為m 3/s ; g為重力加速度，單位為m/s2; ζ為水面高程，單位為m，且ζ = Zb+h，Zb為目 標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠底的相對(duì)高程，單位為m;n為曼寧糙率，單位為s/m1/3,經(jīng)驗(yàn)值為 0.001-0.1; I為地表水入滲率，單位為m/s; R為水力半徑，且R = A/P，其中，P為濕周，單位為 為針對(duì)t得到的時(shí)間離散節(jié)點(diǎn)，i針對(duì)X得到的空間離散節(jié)點(diǎn)，i+1/2為空間離散節(jié)點(diǎn)i與 i+Ι之間的中點(diǎn)，i-1/2為空間離散節(jié)點(diǎn)i-Ι與i之間的中點(diǎn)。
[0095] 步驟104、將下游水深模擬值h。與下游水深實(shí)測值hd進(jìn)行比較，并計(jì)算得到兩者的 相對(duì)誤差值為〇 . 3%，其小于預(yù)設(shè)閾值1 %時(shí)，則確定上游渠道流量預(yù)設(shè)值Qo和地表水入滲 率預(yù)設(shè)值Io為可行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率。
[0096] 步驟105、根據(jù)可行的上游渠道流量和可行的地表水入滲率，獲取矩形斷面渠道上 任意測點(diǎn)處的渠道流量，其中，該渠道流量通過如下公式計(jì)算得到：
[0097] Qu〇 = IkXL+Qx
[0098] 其中，Quq為可行的上游渠道流量，亦即為最終確定的上游渠道流量預(yù)設(shè)值，單位為 m3/s; Qx為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量，單位為m3/s; Ik為可行的地表水入滲率，亦即為 最終確定的地表水入滲率預(yù)設(shè)值，L為任意測點(diǎn)與目標(biāo)渠道上游之間的距離，單位為m。
[0099] 實(shí)施例2
[0100] 本實(shí)施例以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)222團(tuán)一長度為1000米，具有梯形斷面的渠道為例， 采用本發(fā)明實(shí)施例提供的方法獲取其渠道流量。其中，該渠道的一些基本參數(shù)有:渠底寬度 為2.45m，渠道兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角為30°，糙率系數(shù)η取0.22s · πΓ1/3,重力加速度g 為9.8m/s2，上游渠底的相對(duì)高程Zb為0.6m，上游水力半徑R的預(yù)設(shè)值為1.27m。
[0101] 具體地，利用本發(fā)明實(shí)施例提供的方法獲取其上游渠道流量的過程同實(shí)施例1中 的方法。所不同的是:該梯形斷面渠道的上游水深實(shí)測值h u為2.78m，下游水深實(shí)測值hd為 2.30m，上游渠道流量預(yù)設(shè)值Qo為7.81m3/s，地表水入滲率預(yù)設(shè)值Io為0.0 OOlmVs。將上述上 游水深實(shí)測值hu、上游渠道流量預(yù)設(shè)值Qo和地表水入滲率預(yù)設(shè)值Io及提供的梯形斷面渠道 的其他數(shù)據(jù)代入圣維南方程組的離散表達(dá)式中，求解得到梯形斷面渠道的下游水深模擬值 hc為2.346m。之后計(jì)算下游水深模擬值h。與下游水深實(shí)測值hd之間的相對(duì)誤差為2%，其大 于預(yù)設(shè)閾值1%。此時(shí)，對(duì)上游渠道流量預(yù)設(shè)值Qo和地表水入滲率預(yù)設(shè)值Io進(jìn)行優(yōu)化，并利用 優(yōu)化后的上游渠道流量和地表水入滲率再次重復(fù)上述獲取下游水深模擬值的步驟，直至所 獲得的下游水深模擬值與下游水深實(shí)測值之間的相對(duì)誤差小于預(yù)設(shè)閾值1%，并將此時(shí)優(yōu) 化得到的上游渠道流量和地表水入滲率作為可行的上游渠道流量Q uq和可行的地表水入滲 率Ik。最后，根據(jù)最終確定的上游渠道流量預(yù)設(shè)值Quq和最終確定的地表水入滲率預(yù)設(shè)值I k， 獲取該具有梯形斷面渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量。
[0102] 實(shí)施例3
[0103] 本實(shí)施例對(duì)實(shí)施例1及實(shí)施例2中最終確定的可行的上游渠道流量預(yù)設(shè)值的模擬 精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)過程如下：
[0104] 步驟201、利用實(shí)施例1及實(shí)施例2的提供的方法，在24h內(nèi)每隔2h分別獲取矩形斷 面渠道及梯形斷面渠道的最終確定的可行的上游渠道流量預(yù)設(shè)值，并將其作為上游渠道流 量的模擬值。
[0105] 步驟202、利用超聲波流量計(jì)分別獲取相應(yīng)的矩形斷面渠道及梯形斷面渠道的上 游渠道流量，作為上游渠道流量的實(shí)測值。
[0106] 步驟203、以進(jìn)行上述獲取過程的時(shí)間作為X軸，以在不同獲取時(shí)間下所得到的上 游渠道流量(包括其模擬值和實(shí)測值)作為y軸，得到在進(jìn)行上述獲取過程的時(shí)間內(nèi)，所得到 的上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值的變化曲線圖。附圖5為針對(duì)矩形斷面渠道得到的上游 渠道流量的模擬值與實(shí)測值的變化曲線圖。
[0107] 同樣地，針對(duì)具體梯形斷面的渠道，在進(jìn)行上述獲取過程的時(shí)間內(nèi)，所得到的上游 渠道流量的模擬值與實(shí)測值的變化曲線圖如附圖6所示。
[0108] 由附圖5可知，矩形斷面渠道的上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值極為接近，由附圖 6可知，梯形斷面渠道的上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值極為接近，可見，本發(fā)明實(shí)施例提 供的渠道流量的獲取方法具有較高的模擬精度。
[0109] 進(jìn)一步地，本實(shí)施例還進(jìn)行了步驟204、計(jì)算上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值之間 的誤差。
[0110]其中，在每次獲取過程中，所得到的上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值之間的相對(duì) 誤差公式如下所示：
[0111]
[0112]進(jìn)一步地，通過下述公式對(duì)多次獲取過程中得到的多個(gè)相對(duì)誤差進(jìn)行平均，獲取 平均誤差：
[0113]
[0114] 其中，Ej為每次獲取的上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值之間的相對(duì)誤差;^為多 次獲取得到的多個(gè)相對(duì)誤差的平均值，即平均誤差;Q j為第j次獲取的最終確定的上游渠道 流量預(yù)設(shè)值，即模擬值，j = 1，2，……，N，單位為m3/s; Qcij為第j次獲取的上游渠道流量實(shí)測 值，即實(shí)測值，單位為m3/s;N為獲取上游渠道流量的模擬值或?qū)崪y值的次數(shù)，N=I，2， 3,……，13〇
[0115] 針對(duì)矩形斷面渠道，所得到的上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值之間的誤差數(shù)據(jù)如 表1所示：
[0116] 表1
[0119] 由表1可知，矩形斷面渠道的上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值之間的相對(duì)誤差及 平均誤差均小于1%，可見，本發(fā)明實(shí)施例提供的渠道流量的獲取方法具有較高的模擬精 度。
[0120] 針對(duì)梯形斷面渠道，所得到的上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值之間的誤差數(shù)據(jù)如 表2所示：
[0121] 表2
[0123] 由表2可知，梯形斷面渠道的上游渠道流量的模擬值與實(shí)測值之間的相對(duì)誤差及 平均誤差均小于1%，可見，本發(fā)明實(shí)施例提供的渠道流量的獲取方法具有較高的模擬精 度。
[0124] 上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。
[0125] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā) 明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種渠道流量的獲取方法，其特征在于，所述方法包括： 步驟a、測量目標(biāo)渠道的上游水深和下游水深，W獲取所述目標(biāo)渠道的上游水深實(shí)測值 和下游水深實(shí)測值； 步驟b、對(duì)所述目標(biāo)渠道上游的渠道流量和所述目標(biāo)渠道的地表水入滲率進(jìn)行預(yù)設(shè)，獲 取上游渠道流量預(yù)設(shè)值和地表水入滲率預(yù)設(shè)值； 步驟C、將所述上游水深實(shí)測值、所述上游渠道流量預(yù)設(shè)值和所述地表水入滲率預(yù)設(shè)值 代入圣維南方程組中，求解得到所述目標(biāo)渠道的下游水深模擬值； 步驟d、將所述下游水深模擬值與所述下游水深實(shí)測值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的相對(duì)誤差小 于等于預(yù)設(shè)闊值時(shí)，則確定所述上游渠道流量預(yù)設(shè)值和所述地表水入滲率預(yù)設(shè)值為可行的 上游渠道流量和可行的地表水入滲率； 當(dāng)兩者的相對(duì)誤差大于所述預(yù)設(shè)闊值時(shí)，則對(duì)所述上游渠道流量預(yù)設(shè)值和所述地表水 入滲率預(yù)設(shè)值進(jìn)行優(yōu)化，并利用優(yōu)化后的上游渠道流量和地表水入滲率再次進(jìn)行所述步驟 C，直至所獲得的下游水深模擬值與所述下游水深實(shí)測值之間的相對(duì)誤差小于等于所述預(yù) 設(shè)闊值，并將此時(shí)優(yōu)化得到的上游渠道流量和地表水入滲率作為可行的上游渠道流量和可 行的地表水入滲率； 步驟e、根據(jù)所述可行的上游渠道流量和所述可行的地表水入滲率，獲取所述目標(biāo)渠道 任意測點(diǎn)處的渠道流量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟a中，通過將水尺豎直放置在所述 目標(biāo)渠道的上游和下游處，來獲取所述目標(biāo)渠道的上游水深實(shí)測值和下游水深實(shí)測值。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟C包括:將所述圣維南方程組重新 表達(dá)，獲得所述圣維南方程組的離散表達(dá)式； 將所述上游水深實(shí)測值、所述上游渠道流量預(yù)設(shè)值和所述地表水入滲率預(yù)設(shè)值代入所 述圣維南方程組的離散表達(dá)式中，求解得到所述目標(biāo)渠道的下游水深模擬值； 其中，所述圣維南方程組如下所示：所述圣維南方程組的離散表達(dá)式如下所示：其中，X為所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)與所述目標(biāo)渠道上游之間的距離，單位為m;t為所述 目標(biāo)渠道被觀測時(shí)刻為零點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，單位為S ; A為所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的過水?dāng)?面的面積，單位為m2，且A=化ηθ X h2+wh，W為所述目標(biāo)渠道的底面寬度，單位為m，h為所述目 標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的水深，單位為m，Θ為所述目標(biāo)渠道的兩側(cè)坡面與垂直方向的夾角;Q為 所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量，單位為m3/s; g為重力加速度，單位為m/s2; C為水面高 程，單位為m，且C = Zb+h，Zb為所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠底的相對(duì)高程，單位為m;n為曼 寧糖率，單位為S/V/3，經(jīng)驗(yàn)值為0.001-0.1; I為地表水入滲率，單位為m/s; R為水力半徑，且 R = A/P，其中，P為濕周，單位為m;nt為針對(duì)所述t得到的時(shí)間離散節(jié)點(diǎn)，i針對(duì)所述X得到的 空間離散節(jié)點(diǎn)，i+1/2為空間離散節(jié)點(diǎn)i與i+1之間的中點(diǎn)，i-1/2為空間離散節(jié)點(diǎn)i-1與i之 間的中點(diǎn)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟d中，通過如下計(jì)算公式獲取所述 下游水深模擬值與所述下游水深實(shí)測值的相對(duì)誤差；其中，ARE為所述相對(duì)誤差;h。為所述下游水深模擬值，單位為m;hd為所述下游水深實(shí)測 值，單位為m。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟d中，通過遺傳算法對(duì)所述上游渠 道流量預(yù)設(shè)值和所述地表水入滲率預(yù)設(shè)值進(jìn)行優(yōu)化。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)闊值小于等于1.5%。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)闊值小于1 %。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟e中，根據(jù)所述可行的上游渠道流 量和所述可行的地表水入滲率，通過如下公式，獲取所述目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量： Quo 二 Ik X L+Qx 其中，Quo為可行的上游渠道流量，亦即為最終確定的上游渠道流量預(yù)設(shè)值，單位為mV s;Qx為目標(biāo)渠道任意測點(diǎn)處的渠道流量，單位為m3/s; Ik為可行的地表水入滲率，亦即為最 終確定的地表水入滲率預(yù)設(shè)值，L為任意測點(diǎn)與目標(biāo)渠道上游之間的距離，單位為m。
【文檔編號(hào)】G01F1/00GK105841753SQ201610363320
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】章少輝, 戴瑋, 白美健, 劉群昌, 李福祥
【申請(qǐng)人】中國水利水電科學(xué)研究院