一種基于泰森多邊形的多點法測u型明渠流量的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及U型明渠流量測量技術領域，具體涉及一種基于泰森多邊形的多點法 測U型明渠流量的方法。
【背景技術】
[0002] 流量的精確測量對于灌區管理與節水有著重要的意義。U型渠道作為我國灌區主 要的輸水渠道，其測流技術的發展不夠完善。我國農業用水占用水總量的70%左右，但灌溉 用水有效率只有25%~40% (發達國家可達70%~80% )，利用率低，水資源浪費的現象 非常嚴重。灌溉節約用水的潛力50%在于用水管理，而渠道測流技術則是灌溉用水管理和 計劃用水的關鍵技術之一，是促進節約用水的有效手段，是灌區征收水費的重要依據。
[0003] U型渠道具有占地面積少，節約耕地，減少材料，過流能力大、防止泥沙過度淤積， 防滲性能好等優點，在我國灌區中應用的非常廣泛，因此，其流量的測量對灌區用水節水有 十分重要的意義。目前，國內外U型渠道的測流方法眾多，各有其特點：楊士紅等提出了采 用基于U形渠道水流分布規律的明渠測流計算斷面中線"三點法"，其流量測量精度較高， 節省工作量，但在寬淺U型明渠中的精度不高；郝紅科等研究分析出了相應的U形渠道過水 斷面流量的積分求和公式，但實際應用比較繁瑣。馬孝義等研究提出了拋物線形喉口式量 水槽，具有工程較量小，量水精度滿足灌溉測量精度要求，建議在灌區推廣使用.王紅雨等 研究提出了基于流速儀的簡化U型明渠測流方法；朱風書等研究提出了 U形渠道拋物線形 移動式量水堰板，其具有造價低、精度高的優點，但是只適用于小U形灌排渠道的移動式測 流；崔巖等以U形直壁式測流槽為基礎研制出了 UQ-I型自動測流儀，實現了 U型明渠測量 的自動化且精度滿足工程實際要求，對于提高我國U型明渠的測量技術具有重要意義，但 是其在長期工作的環境下仍存在一些問題。總體來說，國內外U形渠道水力學特性的研究 不夠完善，測流技術仍處于發展階段，很多灌區只能使用梯形或矩形渠道的測流方法，這使 得流量測量的精度和工作的效率都大大降低，無法達到水資源合理管理、節約用水的要求。
[0004] 1911年，荷蘭氣候學家A · H · Thiessen提出了一種根據離散分布氣象站的降雨 量來計算平均降雨量的方法，也稱為垂直平分法或加權平均法。當流域中的雨量站分布不 均勻時，利用泰森多邊形法來求解流域平均降雨量更加貼合實際，且在降水氣候分析或某 區域降水量趨勢預報中，用泰森多邊形法計算的面雨量比算術平均法更科學、簡便、合理。 泰森多邊形法就是采用圓搜索法將"最鄰近"的雨量站連接成三角形，然后作每條邊的垂直 平分線，由垂直平分線及區域邊界所圍成的不規則多邊形即為泰森多邊形（如圖1所示）。 每個泰森多邊形內包含一個雨量站，并以其雨量站的降雨強度來作為這個多邊形區域內的 降雨強度。最后將雨量站的降雨量與其所占的面積比重相乘求和即得區域平均降雨量。
【發明內容】
[0005] 為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供一種基于泰森多邊形的多點法測 U型明渠流量的方法。
[0006] 本發明的技術方案是：
[0007] -種基于泰森多邊形的多點法測U型明渠流量的方法，包括：
[0008] 步驟1 :在過水斷面上等間距布設多條測速垂線；
[0009] 步驟2 :在每條測速垂線上布設測速點；
[0010] 步驟3 :當U型明渠中的來水穩定時，測量過水斷面的水深，結合U型斷面的尺寸 進行裁剪即得過水斷面尺寸；
[0011] 步驟4 :利用泰森多邊形法求解出U型明渠流量數值。
[0012] 進一步地，步驟1所述過水斷面上等間距布設三條測速垂線。
[0013] 進一步地，所述三條測速垂線上均按照三點法的布設規則在0. 2h、0. 6h、0. 8h處 布設測速點，h表示測速垂線的高度。
[0014] 進一步地，步驟4是利用泰森多邊形的三點法求解出U型明渠流量數值。
[0015] 進一步地，步驟4具體步驟如下：
[0016] 步驟4-1 :利用聲學多普勒流速儀測量U型明渠過水斷面各測速點的流速；
[0017] 步驟4-2 :根據過水斷面尺寸及測量得到的U型明渠過水斷面各測速點的流速，利 用泰森多邊形的三點法求得U型明渠流量。
[0018] 進一步地，所述過水斷面選在U型明渠的中部。
[0019] 本發明的有益效果為：
[0020] 本發明采用基于泰森多邊形的三點法進行施測，測量結果比較精確、穩定性高且 測量流量的適用范圍較大，基于泰森多邊形的多點法能夠快速的計算出U型明渠流量，有 利于明渠流量的測量實現自動化，這對灌區水資源的合理運用，節水灌溉等方面有著非比 尋常的意義。
【附圖說明】
[0021] 圖1是泰森多邊形示意圖；
[0022] 圖2是本發明實施例的一種基于泰森多邊形的多點法測U型明渠流量的方法流程 圖；
[0023] 圖3是本發明實施例的實際流量與一點法流量對比圖；
[0024] 圖4是本發明實施例的實際流量與二點法流量對比圖；
[0025] 圖5是本發明實施例的實際流量與三點法流量對比圖；
[0026] 圖6是本發明實施例的基于泰森多邊形的多點法測流對比圖；
[0027] 圖7是本發明實施例的U型明渠中的測點分布圖；
[0028] 圖8是本發明實施例的過水斷面測速點分布圖及其形成的泰森多邊形。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖和實施例對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0030] 本實施例中，在材質為不銹鋼的U型明渠中進行實驗，渠長為30m，過水斷面由圓 心角為136\半徑r = 255mm的直線段構成；采用IS200-150-250型離心式水栗控制來流流 量。
[0031] 一種基于泰森多邊形的多點法測U型明渠流量的方法，如圖2所示，包括：
[0032] 步驟I :在過水斷面上等間距布設多條測速垂線；
[0033] 本實施例中，為保證施測斷面的水流穩定且近似可作為均勻流處理分析，將施測 斷面選在U型明渠的中部，即距離明渠入水口 15m處，過水斷面上等間距布設三條測速垂 線。
[0034] 步驟2 :在每條測速垂線上布設測速點；
[0035] 三條測速垂線上均按照三點法的布設規則在0. 2h、0. 6h、0. 8h處布設測速點，h表 示測速垂線的高度。
[0036] 在施測斷面上等間距布設三條測速垂線，每條測速垂線上按照三點法的布設規則 在0. 2h、0. 6h、0. 8處布設測速點，一共9個測速點，即可滿足一點法、二點法、三點法的測流 要求。
[0037] U型明渠中的測點分布如圖7所示，一點法的測點是每一條測速垂線的中間測點， 二點法的測點為測速垂線的最高和最低相應的兩個測速點，三點法的測點為測速垂線上的 三個點。
[0038] 步驟3 :當U型明渠中的來水穩定時，測量過水斷面的水深，結合U型斷面的尺寸 進行裁剪即得過水斷面尺寸。
[0039] 步驟4 :利用泰森多邊形法求解出U型明渠流量數值。
[0040] 本實施例中利用泰森多邊形的三點法求解出U型明渠流量數值。
[0041] 步驟4具體步驟如下：
[0042] 步驟4-1 :利用聲學多普勒流速儀測量U型明渠過水斷面各測速點的流速；
[0043] 使用SonTek/YSI公司生產的FlowTracker聲學多普勒流速儀來測量U型明渠過 水斷面各測速點的流速。
[0044] 步驟4-2 :根據過水斷面尺寸及測量得到的U型明渠過水斷面各測速點的流速，利 用泰森多邊形的三點法求得U型明渠流量。
[0045] 將獲得的數據輸入MapGIS軟件中，利用MapGIS軟件的構建泰森多邊形的功能來 求得基于泰森多邊形的多點法測流流量數值。
[0046] 利用分體式電磁流量計來測量來流流量數值。由于分體式電磁流量計測得的流量 與真實流量的誤差在±0. 3%，所以可以將其測得的數值作為實際流量Q。
[0047] 泰森多邊形法測量明渠流量的計算原理如下：
[0048] 泰森多邊形法求解平均降雨量的研究對象是流域水平面，其計算涉及雨量站降雨 強度、泰森多邊形的面積權重系數。而泰森多邊形法在明渠流量測量中的應用的研究對象 是過水斷面（縱斷面），其計算涉及測速點流速、泰森多邊形的面積。可見兩者的計算原理 非常的相近，其流量Q的計算式如下：
[0049] Q = V1 · AjV2 · A2+... Vn · An
[0050] 式中，1為測速點i的流速數值，A 測速點i所在的泰森多邊形面積。
[0051] 泰森多邊形法