流速仪测流法及水工建筑物量水率定.docx
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流速仪测流法及水工建筑物量水率定
流速仪测流法及水工建筑物量水率定
中国灌区协会“全国灌区量水技术研讨班”教材
流速仪测流法
及水工建筑物量水率定
郭宗信
河北省石津灌区管理局
由于灌溉渠道的断面一般都比较规则，有些测站修建了标准断面，故可将测深垂线与测速垂线合并起来。
即在测线处既测深又测速。
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。
表1给出了平整断面上测线布设标准，供实际工作中参考。
表1平整断面上不同水面宽的测线布设
渠别
水面宽（m）
测线间距（m）
测线数目
总干、干渠
20～50
2.0～5.0
10～20
分干、支渠
5～20
1.0～2.5
5～8
支渠、斗渠
1.5～5
0.25～0.6
3～7
第二节断面测量与流速测量
（一）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。
（二）流速测量
测量垂线平均流速的方法，通常有积深法和积点法。
积深法的垂线平均流速计算公式为：
Vm=
Vdy
式中：
Vm——垂线平均流速；
D——垂线水深；
V——垂线上任一深度y处的流速。
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，最常用的是积点法。
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；
Vm——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。
如表2。
表2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。
表3给出了不同水深测速方法的选择参考标准。
表3不同水深的测速方法
总干、干、分干渠
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
支、斗、
农渠
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
第三节断面流量计算
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值可以通过实测确定。
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，如图1中：
f2=
（D1+D2）b2
f3=
（D2+D3）b3
…………
两水边部分面积为：
f1=
D1b1
fn=
Dn-1bn
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=
流量实测的记录计算表格形式如表4。
表4测流记载及计算表
渠道名称
地点
施测时间
时分至时分
流速公式
天气
风向
风力
流向
仪器号码
点
次
起点距
（米）
水深
（米）
测点深
（米）
时间
（秒）
转数
（转）
测点
流速
（米/秒）
垂线平
均流速
（米/秒）
部分
流速
（米/秒）
部分
宽
（米）
部分平
均水深
（米）
部分面积
（米2）
部分
流量
（米3/秒）
大事记
闸孔宽度（米）
断面平均流速（米/秒）
提闸高度（米）
上游水尺（米）
断面平均水深（米）
下游水尺（米）
闸前水尺（米）
流态
闸后水尺（米）
校核：
计算：
第四节流速仪测量方法的精简分析
（一）常测法的精简分析
1.用精测资料精简分析
根据精测资料，选取一部分测线、测点，缩短测点测速历时，重新计算断面流量，求出与精测流量之间的随机误差和系统误差，如各项误差符合表5的要求，精简方案即可用作常测法。
表5常测法的误差界限
累积频率95%的误差
累积频率75%的误差
系统误差
水文规范
内控标准
水文规范
内控标准
水文规范
内控标准
±5%
±3%
±3%
±2%
±1%
±0.5%
分析步骤如下：
（1）绘制流速横向分布图。
根据流速横向分布情况，合理地选择布设垂线，使精简垂线后，流速横向分布能基本上维持原形；
（2）绘制流速垂直分布图。
根据流速垂线分布情况拟定测点精简方案；
（3）根据上述初步选定的测线测点，用少数精测资料，进行精简前后单宽流量计算，并绘出单宽流量横向分布图，比较不同精简方案的这种图形，选择流量误差小者，进行全面的精简分析计算；
（4）将所有精测资料，按拟定的几种精简方案，重新计算断面流量。
然后将每一个精简方案的流量成果与精测法流量成果比较，进行误差分析。
按规范标准（见表5）确定合理方案。
2.常测法分开精简法
所谓分开精简分析，是采用垂线、测点分开作精简计算，适用于难以取得精测法资料的测站。
其分析步骤是：
（1）在测流断面上选择有代表性的少数测速垂线，用多点法在各级水位分别测速，取得30次以上的资料。
然后，分别计算每种精简测点方案的垂线平均流速，并与多点法比较，计算相对误差，并统计系统误差及累积频率75%和95%的随机误差；
（2）按正规精测法布置测速垂线，而用少点法在各级水位测流，取得不少于30次以上资料后，进行垂线精简，并分别计算各精简方案的流量相对误差。
再统计系统误差及累积频率75%和95%的随机误差；
（3）将上述两项分开精简的各种方案，进行不同的组合，产生若干精简方案，这些方案的误差计算方法如下：
综合随机误差：
m=
式中：
m——断面流量随机误差的综合值；
mx——用多线少点资料精简垂线的误差；
md——用多点法资料精简测点的误差；
n——各多线资料中测速垂线数的平均值；
α——不等权系数，1＞α＞
，其中
为部分流量的均值，采用总流量除以垂线数，qn为最大部分流量。
综合系统误差：
XQ=Xd+Xx
式中：
XQ——断面流量的综合系统误差；
Xd——精简测点使流量产生的系统误差；
Xx——精简垂线使流量产生的系统误差；
当上述综合随机误差和综合系统误差符合规范标准（表5）时，则精简方案成立。
（二）简测法的精简分析
对于断面比较稳定的测站，可采用一线一点法、两线一点法、一线两点法、一线三点法等精简
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