應用于U型明渠流量的測量所具有的特點及優點如下：
[0052] ①每個泰森多邊形內僅含有一個測速點，用相應測速點施測所得的流速作為該泰 森多邊形區域的平均流速，流速數值與泰森多邊形的面積相乘為部分流量，將部分流量求 和即得U型明渠斷面的流量，使得計算過程非常簡便。
[0053] ②泰森多邊形內的點到相應測速點的距離最近且位于泰森多邊形邊上的點到其 兩邊的離散點的距離相等，使得以測速點的流速來代替泰森多邊形區域內部任意一點的流 速顯得更加科學、合理，計算的最終結果也更加準確。
[0054] ③隨著科學技術的發展，Mapgis、Arcgis等軟件已經具備繪制明渠斷面、構建泰森 多邊形、求解明渠流量這一系列的功能，從而解決了泰森多邊形的面積難以求解的問題，大 大提高了流量測量的效率。
[0055] 本實施例中一共進行了 9組實驗，實驗中使用多普勒流速儀按照從左岸到右岸的 施測順序來測量各測速點的流速并記錄。雖然三點法布設的測速點包括了一點法、二點法 布設的測速點，但是為了減少誤差，每組實驗都將一點法、二點法、三點法分開進行施測測 速點流速。然后，將測得的斷面尺寸及流速數據輸入MapGIS軟件中，利用其所具有的泰森 多邊形功能來求解出流量數值。
[0056] 將所測得的數據繪制成散點圖，然后根據施測所得流量與實際流量的線性關系進 行線性擬合（如圖3、4、5、6所示）。過水斷面測速點分布圖及其形成的泰森多邊形如圖8 所示。
[0057] 線性擬合方程的斜率分析：如圖3所示，基于泰森多邊形的一點法施測結果對應 的線性擬合方程為Y = I. 1040X-0. 0050,其斜率K = 1. 1040,二點法、三點法對應的線性擬 合方程的斜率分別為1.0300、1.0433 (如圖4、5)。由橫坐標X(實際流量）與縱坐標Y(基 于泰森多邊形的一點法流量）之間的關系可得，線性擬合方程的斜率理論上應該等于1，而 一點法的斜率與1的差值為0. 104,相對誤差為10. 4%，二點法和三點法的斜率與1的相對 誤差分別為3%、4. 33%。
[0058] 可見，一點法對應的擬合直線的斜率與數值1的相對誤差最大。表明當U型明渠 中的真實流量較小時，隨著真實流量數值的減小，基于泰森多邊形的一點法施測所得的流 量數值減小的速度快于真實流量數值減小的速度。當U型明渠中的真實流量較大時，隨著 真實流量數值的增大，基于泰森多邊形的一點法施測所得的流量數值增大的速度快于真實 流量數值增大的速度。由I. 1040X-0. 0050 = X，可得Q = X = 0. 0481m3/s時為上述變化的 轉折點。有此可得，當流量在一定程度上小于或大于〇. 〇481m3/s時，基于泰森多邊形的一 點法不適用于U型明渠的流量測驗。但真實流量在流量為0. 0481m3/s左右的一定范圍內， 一點法在U型明渠中測量的結果滿足工程實踐的要求。
[0059] 而二點法對應的擬合直線的斜率與數值1的相對誤差最小，當U型明渠中的真實 流量較小時，隨著真實流量數值的減小，基于泰森多邊形的二點法施測所得的流量數值減 小的速度慢于真實流量數值減小的速度。則當U型明渠中的真實流量較大時，隨著真實流 量數值的增大，基于泰森多邊形的二點法施測所得的流量數值增大的速度慢于真實流量數 值增大的速度。由Q = 1.0300X+0. 0001，并令Q = X，求得Q = X = -0. 0033。有此可得， 由基于泰森多邊形的二點法施測所得的流量數值普遍大于真實流量，并且當真實流量的數 值越大，此方法測得的流量與真實流量的差值越大，誤差越大。表明基于泰森多邊形的二點 法不適用于流量較大的U型明渠流量測驗。
[0060] 三點法對應的擬合直線的斜率與數值1的相對誤差居于上述兩種方法之間，可見 基于泰森多邊形的三點法在U型明渠流量測驗的適用范圍較以上兩種方法更廣。
[0061] 相關系數分析：
[0062] -點法、二點法、三點法對應的相關系數分別為0. 9915、0. 9931、0. 9995(見圖3、 4、5)。可見，基于泰森多邊形的三點法相應的相關系數最大，表明其流量測驗結果最為穩 定，測驗數值基本落于擬合直線上。而基于泰森多邊形的一點法相應的相關系數最小，測驗 結果相對最不穩定，但是基本滿足實際工程上的需求。
[0063] 表1流量誤差統計表
[0064]
[0065] 流量精度分析：
[0066] 由表1可得，基于泰森多邊形的一點法測得的U型明渠流量與真實流量的絕對平 均誤差為5. 4%，二點法和三點法分別對應的絕對平均誤差為4. 6%、1. 5%。由此可得，基 于泰森多邊形的三點法施測所得的U型明渠流量最接近真實值，較為精確。雖然一點法 對應的絕對誤差最大，但是其絕對誤差遠小于10%，滿足工程實踐中對U型明渠管道施測 流量精度的要求。一點法、二點法、三點法的誤差范圍分別為-8. 2%~6. 6%、-4. 8%~ 7. 0%、-1. 7%~2. 7%。可見一點法的施測結果具有較大的波動范圍，兩次測量的相對誤 差差距最大可達15 %，測量穩定性較差。三點法施測結果的誤差波動不大，兩次測量的相對 誤差差距最大僅有4. 4%，測量效果較為穩定。
[0067] U型明渠廣泛的應用于我國灌區內，其流量精確、快速的測量對于水資源的合理分 配具有著重要意義。本實施例通過實驗對比分析了基于泰森多邊形的一點法、二點法、三點 法在U型明渠測量流量中的規律：一點法測得的流量精度相對較低、穩定性較差，其測量流 量的適用范圍不能過大或過小，否則誤差較大，但其施測的結果足以滿足工程實踐的要求。 除此之外，一點法測驗流量的過程較為簡便，可大幅度提高流量測量的效率，大大減小工作 量，在工程實踐中能夠得到廣泛的應用。對于一些U型明渠需要求得較為精確的結果，則可 采用基于泰森多邊形的三點法進行施測。其測量結果比較精確、穩定性高且測量流量的適 用范圍較大。此外，基于泰森多邊形的多點法結合MapGIS、ArcGIS等軟件平臺能夠快速的 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 水灌溉等方面有著重要意義。
[0068] 本發明不局限于上述最佳實施方式，任何人在本發明的啟示下都可得出其他各種 形式的產品，但不論在其形狀或結構上作任何變化，凡是具有與本申請相同或相近似的技 術方案，均落在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于泰森多邊形的多點法測U型明渠流量的方法，其特征在于，包括： 步驟1:在過水斷面上等間距布設多條測速垂線； 步驟2 :在每條測速垂線上布設測速點； 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； 步驟4 :利用泰森多邊形法求解出U型明渠流量數值。2. 根據權利要求1所述的一種基于泰森多邊形的多點法測U型明渠流量的方法，其特 征在于，步驟1所述過水斷面上等間距布設三條測速垂線。3. 根據權利要求2所述的一種基于泰森多邊形的多點法測U型明渠流量的方法，其特 征在于，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。4. 根據權利要求1所述的一種基于泰森多邊形的多點法測U型明渠流量的方法，其特 征在于，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。5. 根據權利要求1所述的一種基于泰森多邊形的多點法測U型明渠流量的方法，其特 征在于，步驟4具體步驟如下： 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； 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。6. 根據權利要求1所述的一種基于泰森多邊形的多點法測U型明渠流量的方法，其特 征在于，所述過水斷面選在U型明渠的中部。
【專利摘要】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，包括：在過水斷面上等間距布設多條測速垂線；在每條測速垂線上布設測速點；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；利用泰森多邊形法求解出U型明渠流量數值。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。
【IPC分類】G01F1/00
【公開號】CN105157759
【申請號】CN201510246180
【發明人】柴元方, 張佳妮, 郭帥成
【申請人】柴元方, 張佳妮, 郭帥成
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年5月13日