渠道管道率定方案.docx

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渠道管道率定方案

率定方案

一、渠道率定方案

一.1概述

流量测验成果精度，是影响水文水资源计算精度的主要因素。

流量在线测量，雷达流速仪站点适用水面一点法测流，水位计站点适用水位流量关系推流法测流。

我们在安装好测量仪器后需要进行流速仪多点法率定试验。

流速仪测量河渠流量是利用面积～流速法，即用流速仪分别测出若干部分面积的垂直于过水断面的部分平均流速，然后乘以部分过水面积，求得部分流量，再计算其代数和得出断面流量。

采用水面一点法时根据测出的断面流量求出过水断面的平均流速，根据不同水深时候的过水断面平均流速多次测量，率定出不同水深情况下的表面流速和平均流速的率定出不同水深情况下的表面流速和平均流速的关系系数。

采用水位流量关系法时，根据不同水深时候的过水断面流量的多次测量，率定出不同水深情况下的水位和流量的关系，根据测量数据拟合出水位流量关系曲线。

从水力学的紊流理论和流速分布理论可知，每条垂线上不同位置的流速大小不一，而且同一个点的流速具有脉动现象。

所以用流速仪测量流速，一般要测算出点流速的时间平均值和流速断面的空间平均值。

即通常说的测点时均流速、垂线平均流速和部分平均流速。

按照招标文件要求，在合同完工验收前，每个站点要初步完成流量率定工作，实测流量点要基本覆盖低、中、高水位，测点不少于10个，同时出具率定报告；管道、闸门流量站按规范完成率定。

一.2方案主要依据

Ø灌溉渠道系统量水规范《GB/T-21303-2007》

Ø《河流流量测验规范》（GB50179-2015）

Ø《国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水在线监测技术指南》（试行版）

Ø率定的水位流量关系曲线应满足流量推求。

一.3测量工具

测量流速主要用到的工具有：

旋桨式流速仪、卷尺、钢尺、测流记载及计算表、记号笔、扎带、水泥钉、笔记本电脑等。

一.4渠道特点及渠道流速分布

测量渠道为水库入流渠道和水库出流渠道。

均为矩形断面。

涉及到的水利要素如下：

明渠渠道由于是人为修建，其渠道大多是矩形，较容易进行渠道内流速。

在研究渠道中的流速分布主要是研究两个方面，一是流速沿水深的变化，即垂线上的流速分布；一是研究流速在横断面上的变化，即垂线流速的横向分布。

研究渠道的流速分布对流速仪检测流量时渠道断面及垂线的选择有重要的惫义。

流速脉动：

水体在明渠渠道中流动时，受到许多因素影响，如渠道断面形状、坡度、糙率、水深、弯道等，使的水流大多呈紊流状态。

由水动力学可知，紊流中水质点的流速，不论其大小、方向都是随时间不断变化着的，这种现象称为流速脉动现象。

研究流速脉动现象及流速分布的目的是为了掌握流速随时间和空间分布的规律。

它对于进行流量测验具有重大的意义，由此合理布置测速点及控制测速历时等。

水流中某一点的瞬时流速随时间不断变化着，但它的时段平均值是稳定的，这也是流速脉动的重要特性。

流速脉动现象是由水流的紊动而引起的，紊动愈强烈，脉动也愈明显。

通过水力学实验发现，流速水头有上下振动的现象，同时还发现河床粗糙则脉动增强，否则减小。

渠道垂线的流速分布：

对于各种类型的渠道垂线流速分布，许多学者经过实验研究导出一些经验、半经验性的流速分布模型，如抛物线模型、指数模型、双曲线模型、椭圆模型及对数模型等。

这些模型在使用时都有一定的局限性，其结果多为近似值。

对于矩形或梯形等规则的渠道中，垂线的流速分布曲线与卡拉乌舍夫研究的椭圆流速分布曲线非常接近，其公式为：

式中，V为渠道内某点流速，h为由自水面向下起算的相对水深，V0为水面流速（即h=0时），P为流速分布参数（一般取0.6）。

渠道断面的流速分布：

断面的流速分布也受到断面形状、糙率、弯曲形式等因素的影响。

可通过绘制等流速曲线的方法来研究横断面流速分布的规律，下图所示为规则的矩形明渠渠道的断面流速示意图。

在用流速仪进行测流时，假设将断面流量垂直切割成许多平行的小块，每一块称为一个部分流量，将部分流量累加获得整个断面的流量大小。

研究断面流速的分布形式有利于在断面上进行垂线的选择。

一.5测线布设

测流断面上测深、测速垂线的数目和位置，直接影响过水断面积和部分平均流速测量精度。

因此在拟订测线布设方案时要进行周密的调查研究。

国际标准规定，在比较规则整齐的渠床断面上，任意两条测深垂线的间距，一般不大于渠宽的1/5，在形状不规则的断面上其间距不得大于渠宽的1/20。

测深垂线应分布均匀，能控制渠床变化的主要转折点。

一般渠岸坡脚处、水深最大点、渠底起伏转折点等都应设置测深垂线。

测速垂线的数目与过水断面的宽深比有关。

精测法的测速垂线数目与宽深比的关系式为：

N0=2

式中：

N0——测速垂线数目；

B——水面宽；

——断面平均水深。

常测法的垂线数目与宽深比的关系式为：

N0=

测速垂线数目及其布置，应通过分析确定。

主流摆动剧烈或渠床不稳的测站，垂线不宜过少，垂线位置应优先分布在主流上。

垂线较少时，应尽量避免水流不平稳和紊动大的岸边或者回流区附近。

根据实际情况，垂线可等距离或不等距离地布设。

若过水断面对称、水流对称，则垂线应尽量对称布设。

下表给出了平整断面上测线布设标准，供实际工作中参考。

平整断面上不同水面宽的测线布设

水面宽（m）

测线间距（m）

测线数目

20～50

2.0～5.0

10～20

5～20

1.0～2.5

5～8

1.5～5

0.25～0.6

3～7

一.6断面测量

断面测量包括测线间距（部分宽）测量和水深测量。

在测桥上测流时测线间距一般在布置测线时设置固定标志，其间距均事先测出，测流时只需测量水边宽度。

缆道测流时，测线间距是由循环索控制，水文绞车计数器显示的，因此计数器的读数与循环索的行进距离之间的比例应率定准确。

水深测量多用悬索或测秆直接观读，用悬索测深时，由于水流的冲击作用，入水后悬索向下游偏斜，一般偏角不大时，将湿绳长度视为水深，若偏角大于10°时则需修正湿绳长度后才得水深值。

用测秆测深时，往往有壅水现象，因此要修正壅水影响的水深误差。

即在观读水深时，减去壅水高度。

在混凝土衬砌的断面上测流，水深测量应注意测秆底盘下面一段尖端的高度，根据分化刻度的起始位置，进行相应的处理。

无论使用何种测具测量水深，测量时都应保持垂直状态。

在衬砌的标准测流断面上，若断面无淤积，水流稳定时，可以设置固定水尺，用水准仪测出水尺零点与各测线处渠底的高差，就得到每条测线处的实际水深值。

即：

Hj=h±Δhj

式中：

Hj——第h条垂线处的实际水深；

h——水尺读数；

Δhj——第j条垂线处渠底与水尺零点的高差。

一.7垂线上测点选择

测量垂线平均流速的方法，通常有积深法和积点法。

积深法属于垂直方向的积分法，从理论上讲，在不考虑其它影响因素时，此法具有较高的精度。

然而，通常需要考虑其它影响因素，所以本项目选用的是积点法。

积点法是在垂线上按一定规律布置有限的测点施测点流，根据测得的各点流速，推算垂线平均流速。

流速在垂线上的分布规律，对于明渠流，一般采用普朗德—卡门对数模式：

Vη=Vm（1.116+0.267lgη）

式中：

η——相对水深，η=y/D，y为自渠底算起的测点深，D为垂线水深；

Vη——垂线上相对水深η处的流速；

Vm——垂线平均流速。

以Vm=1，并以不同的η值代入上式可求得垂线上的相对水深与流速的关系。

如下表：

当Vm=1时，η与V的关系

相对深度（η）

1.00

0.90

0.80

0.70

0.60

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0.01

测点流速（V）

1.12

1.10

1.09

1.07

1.06

1.04

1.01

0.98

0.93

0.85

0.58

根据垂线流速分布规律，施测垂线上若干个有代表性的测点流速，即可推算出垂线平均流速。

积点法的测速方法一般有以下几种：

1.一点法：

施测垂线上一个点的流速，代表垂线的平均流速。

测点设在自水面向下计算垂线水深的十分之六处（即0.6D）。

将流速仪悬吊在该点，实测的流速就是这条垂线的垂线平均流速：

Vm=V0.6

2.二点法：

测速点设在水面以下0.2及0.8相对水深处，两点的测点流速的平均值即为垂线平均流速：

Vm=

3.三点法：

测速点设在水面下0.2、0.6、0.8相对水深处，三个测点流速的平均值或加权平均值即为垂线平均流速：

Vm=

或：

Vm=

4.五点法：

测点设在水面（在水面以下5cm左右处施测，以不露仪器的旋转部件为准）0.2、0.6、0.8相对水深处及渠底（离开渠底2～5cm）。

各测点流速的加权平均值即为垂线平均流速：

Vm=

施测中，具体采用几点法，要根据垂线水深来确定。

一般地说多点法较少点法更精确一些，但垂线上流速测点的间距，不宜小于流速仪旋桨或旋杯的直径。

为了克服流速脉动的影响，每个测点的测速历时均应在100秒以上。

下表给出了不同水深测速方法的选择参考标准。

不同水深的测速方法

水深（m）

＞3.0

1.0～3.0

0.8～1.0

＜0.8

测速方法

五点法

三点法

二点法

一点法

水深（m）

＞1.5

0.5～1.5

0.3～0.5

＜0.3

测速方法

五点法

三点法

二点法

一点法

量测断面垂线及测点布置图垂线流速分布图

一.8岸边流速系数

岸边流速系数是流速仪施测中由岸边测线的垂线平均流速推算岸边部分平均流速的一个折算系数。

流量测验规范规定,若无实测资料，可采用以下参考值：

规则土渠的斜坡岸边：

α=0.67～0.75

梯形断面混凝土衬砌渠段：

α=0.8～0.95

不平整的陡岸边：

α=0.8

光滑的陡岸边：

α=0.9

死水边：

α=0.6

两岸边视实际情况，岸边流速系数可采用不同数值。

岸边流速系数的大小与渠道的断面形状、渠岸糙率、水流状态及水边宽度等有关。

岸边流速系数选值不当引起的误差,实际上是由测速垂线数目不足导致的误差,消除的方法就是采用实测的岸边流速系数值。

岸边流速系数的实测,即在测流断面上的近岸基本测线与水边之间,采用加密测线的方法,精测边角部分的流量和边角面积,求出边角部分平均流速,据此推算出实测的岸边流速系数。

具体方法如下:

1.如上图所示。

在测流断面基本测线D1与水边之间布设若干加密测线h1、h2、h3、……、hn。

加密测线的间距一般为水边宽的1/10～1/5。

2.在近岸基本测线及各加密测线上,按精测法的要求测速。

3.计算相邻测线间的部分流量qi水边余角的部分流量计算,仍需选用规范的岸边流速系数,由于余角很小,此时岸边流速系数的影响甚微,可忽略不计。

4.计算边角部分总流量Q边和总面积ω边及边角部分平均流速V边:

Q边=∑qi（i=1,2,……,n）

ω边=∑ωi（i=1,2,……,n）

V边=Q边/ω边

5.求出岸边流速系数实测值：

α=V边/V1

式中：

V1---近岸基本测线D1的垂线平均流速。

依上述方法,实测不同水位的岸边流速系数。

当积累了足够的资料时,一般不少于8次，采用格拉布斯法则对实测数据进行判别,剔除异常数据后,其平均值即为岸边流速系数最佳值。

在测流中采用,可消除由于岸边流速系数取值不当所引起的系统误差。

一.9矩形断面流量计算

断面流量计算一般采用平均分割法。

计算步骤如下：

1.计算测点流速：

根据施测记录的转数和历时，按流速公式V=kn+C，计算测点流速；

2.计算垂线平均流速：

根据实测情况，按垂线平均流速的计算方法，求出各测线的垂线平均流速：

Vm1、Vm2……Vm（n-1）；

3.计算部分平均流速：

部分平均流速就是相邻两条测线的垂线平均流速的平均值：

V2=（Vm1+Vm2）

V3=（Vm2+Vm3）

水边部分平均流速（V1或Vn），等于近岸测线的垂线平均流速（Vm1或Vm（n-1））乘以岸边流速系数α：

V1=αVm1

Vn=αVm（n-1）

岸边流速系数α，与渠道的断面形状、渠岸的糙率、水流条件等有关。

合理地选取α值，对提高流量施测精度有显著影响。

α值可以通过查询参考值确定。

4.计算部分面积：

部分面积由相邻的两条测线处的水深的平均值乘以测线间距而得，下图中：

f2=

（D1+D2）b2

f3=

（D2+D3）b3

5.计算部分流量：

由每块部分面积乘以该面积上对应的部分平均流速即得部分流量。

设各个部分流量为：

q1、q2、q3……qn，则：

q1=V1×f1

q2=V2×f2

q3=V3×f3

………

qn=Vn×fn

6.计算断面流量：

各个部分流量之和即为断面流量（Q）：

Q=

一.10梯形断面流量计算

流量由流速与断面面积相乘而得。

流速在全断面内分布不均，需将全断面按测速垂线分成各个部分，求出每部分的平均流速与面积，部分平均流速乘部分面积，得出部分流量，部分流量之和为全断面总面积。

计算方法、步骤如下：

部分平均流速计算

两测速垂线中间的部分平均流速可按下式计算：

水边部分平均流速（

或

）可按下式计算：

式中：

n------垂线序号，n=1，2，3，···，n，见图2-1；

-------第n和n+1两条垂线间部分断面平均流速，单位为m/s；

------第n条垂线平均流速，单位为m/s；

岸边流速系数α，与渠道的断面形状、渠岸的糙率、水流条件等有关。

合理地选取α值，对提高流量施测精度有显著影响。

α值可以通过查询参考值确定。

部分面积计算

部分面积可按下式计算：

式中：

-------第n-1和第n两条垂线间的部分面积，单位为m²；

-------第n-1和第n两条垂线的实际水深，单位为m；

-------第n-1和第n两条垂线之间的部分断面宽，单位为m；

2、两水边部分面积可按下式计算：

部分流量计算

部分流量可按下式计算：

式中：

-------第n-1和第n两条垂线间的部分流量，单位为m³/s；

-------第n-1和第n两条垂线间的部分流速，单位为m/s；

-------第n-1和第n两条垂线间的断面面积，单位为m²；

断面流量计算

断面流量可按下式2-14计算：

式中；

Q------断面流量，单位为m³/s。

一.11测速历时

由于流速脉动的影响，流速仪在某测点上测速历时愈长，实测时均流速愈接近真值。

但历时太长，当断面流量不稳时，所测流量失去代表性，因此正确选择测速历时也是非常重要的。

在我们对明渠进行测流试验中，其由于明渠流量在一定时间段内可以控制的比较稳定，我们采用的测速历时一般选择为100s,如果该段时间流量稳定且测点数目不多时，可根据现场情况选择更大的测速历时。

一.12水面一点法断面平均水面流速系数率定

通过过水断面的平均水面流速系数，是断面流量（用流速仪精测法测得的流量）与相应的断面虚流量（用流速仪水面一点法测得的流量）之比值，即:

K1=Q/Q0

式中K1—断面平均水面流速系数

Q——流速仪精测法测得的流量（简称断面流量）

Q0——流速仪水面一点法测得的流量（简称断面虚流量）

当河道断面受冲淤等影响变化不大时，断面水位（Z）是影响断面流量变化的主要因素。

在相同的水位级，用Q~Q0关系线法确定河道断面平均水面流速系数`K1，先后施测流量10次，对每次测量Q和Q0进行记录。

以Q为纵坐标Q0为横坐标，点绘各分析测次的K1点，K1点的分布为带状，通过点群重心和坐标原点绘制一条直线，该线的斜率tga1即试验断面该水位级别下的平均水面流速系数。

获得该断面中、低水位及最大水位变幅。

在不同水位级别时，按照上述方法进行多组测量比对，测试组数一般大于3次，根据每组测试数据求出不同水位级别时的斜率tga即试验断面该水位级别下的平均水面流速系数。

最后将各组测量的斜率求平均获得我们所需要的最终平均水面流速系数。

一.13水位流量关系法曲线拟合

根据上述测流规范要求，选定标准断面后，通过控制闸门的方式，测完不同水位对应的断面流速，然后按照流量计算方法，计算出不同水位对应的断面流量，具体如下表所示：

站点实测过程实测水位-流量数据表

序号

施测时间（t）

水位（m）

流量（m³/s）

1

13:

50-14:

20

0.85

2.10

2

14:

40-15:

20

0.80

1.80

3

15:

26-16:

04

0.77

1.51

4

16:

32-17:

04

0.73

1.27

5

17:

15-17:

28

0.69

1.12

6

17:

35-17:

44

0.64

0.828

根据上表格数据进行曲线拟合，结果如下：

水位流量关系曲线

可以推导出三阶多项式方程，举例如下：

y=40.451x3-47.337x2+18.949x-2.3215

其中y为流量，x为水位，将不同的水位值x代入公式，就可得出相应的流量。

一.14流速仪的使用与保养

正确地使用与保养流速仪，对测速成果质量和仪器的使用寿命都有很大影响，测流人员必须对此给予足够的重视。

（一）测流仪的安装

（1）打开仪器箱盖，拨开转动部分的压栓，轻轻取出身架部件；

（2）拧松身架侧面的固轴螺丝，取出旋桨部件；

（3）向身架腔注仪器油，油量为孔高的1/3；

（4）将旋转部件插入身架孔中，使前轴套与身架之间保持0.3～0.4mm的间隙。

一般只要把旋桨部件插入到底即可。

如果间隙太小，有磨边现象，则应把旋桨部件稍拨出一些。

待调整正确后，即可把固轴螺丝固紧。

固紧螺丝时应注意勿用力过猛，以免顶斜旋轴。

（二）流速仪养护的一般规则

小心地使用和仔细地养护，可保证流速仪正常地、可靠地工作，并且获得可靠的流量资料。

为此，应注意下列规定：

1.仪器及全部附件应完全良好和清洁地保存在仪器箱内，并放置在干燥、通风的房间柜中；

2.拆卸、清洗及安装仪器以前，必须通晓仪器的结构和拆洗方法；

3.仪器各部分均不能任意碰撞，旋杯、旋桨、旋轴、轭架等尤须注意；

4.顶针、顶窝、球轴承等易锈零件，必须经常加仪器油；

5.仪器油使用HY—8（8号仪表油），不得任意改用其它粘度的油类；

6.仪器安装好后，要轻提轻放，防止快速空转，以保证其性能稳定；

7.仪器工作完毕出水后，应立即就地用干毛巾擦干水分。

如仪器上有污物或泥沙，要先用清水冲洗干净，然后擦干。

卸成原来的各部件，妥善地安置在仪器箱内指定的位置。

旋杯式流速仪要把顶针卸下，转上旋盘固定器；

8.关闭箱盖时，务必小心，不宜过猛。

如遇关闭不平服时，应立即检查内部安放情况，决不可硬压；

9.仪器长期储藏不用时，易锈部件（如轴承、顶针等）必须涂以黄油保护。

（三）仪器的检查与检定

新领到或检定回来的仪器，应当进行全面检查，特别要注意有无检定公式，检定书号码与仪器号码是否一致，部件是否齐全，旋转是否灵敏，讯号是否正常等等。

灵敏度的试验，就是将仪器按规定装好后，手持仪器身架，吹动旋桨（旋杯），观察其转动情况。

如果启动灵活停止徐缓，没有跳动或突然停止现象，说明灵敏度正常，如发现仪器运转不正常时，应对有关部件进行检查，重新安装或拆洗，必要时做简单修理。

如故障较重时，需送交检修站维修。

流速仪使用时间过长或有损坏，为保证流速公式的可靠性，必须进行检定。

一般情况下，流速仪发生下列问题之一时应停止使用，进行检定：

1.旋转不灵；

2.旋转部件变形；

3.轴承锈蚀严重或顶针、顶窝有显著磨损；

4.仪器使用中实测流速超过允许的最大流速范围；

5.经与性能好的仪器比测，确认误差过大的；

6.正常使用2—3年的（有效工作时间300小时）。

一.15本次项目率定情况分析

按照以往经验，建设时需要根据具体情况，处理数据，最大程度的实测，实在无法满足测试条件的，承诺待条件满足时，进行补测，具体情况说明如下：

1、渠道有水并且可以调整水位测站

对于此种情况，可以直接测量流速，计算流量，测量时尽量测量准确，测量水位兼顾渠道高、中、低不同情况下的流量，并且还要测量渠道比降，方便在绘制曲线时，可以尽量扩展曲线范围到渠道最大水位值。

2、渠道有水但是无法调整水位测站

对于此种情况，只能测量一个水位值下的流速，在水位流量关系图上无法绘制出水位流量关系曲线。

在此情况下需要测量渠道比降，测量单个水位流量数值只作为参考值，计算流量方法主要采用曼宁公式推导。

3、渠道没有水，无法放水测站

对于此种情况，需要测量渠道比降，计算流量方法主要采用曼宁公式推导。

以上1、2、3种情况下都需要后续对测站继续率定，以增加数据准确性。

曼宁公式推流如下：

Q=A*V=A*（1/n）*R2/3*S1/2

Q--流量；A----渠道过水面面积；V---渠道流速；

n--糙率；R----水力半径；S---渠道坡降；

其中n按照三面光滑水泥渠道的水利经验值取0.012；

R=渠道过水面积/湿周长（流体与明渠断面接触的周长）；

4、现场率定方法

二、管道比测方案

液体流量计校准方法为比对法，采用便携式超声波流量计作为标准表，将标准表与被测液体流量计串联，可以同时显示被测管道的瞬时流量与累积流量，通过对比标准表与被测流量计从而确定被测流量计的准确度。

二.1校准条件和要求

1、液体流量计的选择、安装与使用应满足产品的要求。

2、在线校准使用的标准计量器具（便携式超声波流量计）应具有有效的校准或鉴定证书，并且标准计量器具的准确度等级应高于被检测的流量计。

3、管道的参数要齐全，以便能正确无误地设置标准计量器具的组态参数。

4、根据现场实际情况确定校准流量点，流量点一般选择2个。

5、校准周期为一年。

二.2外观检查

1、标识：

流量计应有铭牌（流量计的型号、规格、出厂编号、公称通径仪表系数、防护等级、制造年月等），检查铭牌上的标识是否规范齐全；流量计应有明显的流向标识。

2、外观：

流量计外观应完好，显示窗口的数字应醒目、整齐，表示功能的文字符号和标识应完整、清晰、端正，读数装置上的防护玻璃应有良好的透明度，按键应没有粘连现象。

3、密封性：

流量计在正常工况下，流量计各连接处应无渗漏。

二.3流量计校准方法

1、安装标准计量器具：

标准表串联在液体流量计上游或下游。

注意避开可能产生不满管、电磁干扰或外部管径锈蚀严重的位置。

便携式超声波流量计比对法工作原理见下图。

比对法工作原理图

2、将管道参数输入到标准表内，得出换能器安装距离L。

在管道上划线定位，以便准确地安装。

3、清理已定安装位置附近的管壁（比换能器约大一倍的面积），将管壁上的油漆、铁锈、污垢等清除干净，露出管道材质、打磨光滑。

4、在换能器表面均匀涂上耦合剂，将换能器对准安装位置，使其发射面与管壁紧密接触，且两个换能器发射面应对射。

5、用紧固件将换能器固定在管道上。

将换能器信号传输电缆连接到转换器上。

按要求将信号调试到最佳状态。

6、零点检查：

具备停流条件的管道，检查流量计的零点流量；不具备静态零点检查设定条件时，校准前可对标准表进行动态零点检查设定。

7、标准表安装好，运行5min后开始校准。

8、同时记录标准表和被校准流量计的累计初始值（或清零），运行一段时间后，同时记录标准表和被校准流量计累计最终示值。

完成1次校准。

9、校准2次。

分别得到2次的示值误差。

10、相对示值误差计算

Qi-（Qs）i

Ei＝————×100%

（Qs）i

式中：

Ei——第i次校准的相对示值