灌区渠道测流技术.docx
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灌区渠道测流技术
1、渠道及流态
2、渠道测流方法
3、渠道测流设备
4、设备的选型及安装维护
1.选型
2.选址
3.安装
4.维护
5、测流设备的率定
1.对比测流工况与次数选择
2.流速仪法的具体方法
3.对比测流数据处理
4.率定结果处理
6、测流设备的测量精度提高
7、在线测流系统的一般结构及组成
8、相关规范标准
9、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水
1、渠道及流态
渠道也即明渠（英语openchannel）是一种具有自由表面（表面上各点受大气压强的作用）水流的渠道。
根据它的形成可分为天然明渠和人工明渠。
前者如天然河道；后者如人工输水渠道、运河及未充满水流的管道等。
明渠流动是水流的部分周界与大气接触具有自由表面的流动。
由于自由表面上相对压强为零，又称为无压流动。
明渠一般作为明渠水流的简称，英语openchannelflow。
明渠的特性有三点：
水面一定与大气接触；且水位及流量跟随横断面的变化而变化；最后就是水流方向由重力决定，由高向低的方向流动。
根据这个特性我们可以知道除了平时的河道和人工运河外，由于排水管道的水流并未充满管道，所以这些都属于明渠。
按照运动要素是否随时间变化，明渠可分为明渠恒定流和明渠非恒定流。
按照运动要素是否随流程变化，明渠可分为明渠均匀流和明渠非均匀流。
按照变化的缓急程度，明渠可分为明渠急变流和明渠渐（缓）变流。
以上三个分级标准可以任意搭配，比如：
明渠非恒定非均匀渐变流。
注意：
不存在明渠非恒定均匀流。
（当然也就不存在明渠非恒定均匀渐变流和急变流），原因是：
水面有波动，不可能产生明渠非恒定均匀流。
急流与缓流：
明渠中由于流速与波速的比值不同而出现的两种不同性质的水流形态。
流速小于波速，外界干扰引起的水面波动能逆流上传的水流称为缓流。
缓流水势平稳，遇到底部障碍物时水面下跌。
流速大于波速，外界干扰引起的水面波动不能上传的水流称为急流。
急流水势湍急，遇到底部障碍物时水面隆起，一跃而过。
2、渠道测流方法
明渠测流方法从原理上可分为两大类：
水位法与流速面积法。
水位法是通过测量量水建筑物的上游水位（或上、下游水位）或渠道水位并经经验公式（或理论半理论公式）或实验曲线换算成流量来实现计量的。
流速面积法不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（实际上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速来求得流量。
1、水位法
水位法主要有两大类：
一类是通过测量顺直渠道（流态为恒定均匀流）的水位，然后通过理论或半理论公式（如谢才公式与曼宁公式）或水位流量关系曲线来计算出或插值出流量；另一类是通过测量水工建筑物的上下游水位，然后应用经验公式或实验曲线来求出流量。
第一类通过测量渠道水位来求流量的方法要求渠道流态必须为自由出流（也即恒定均匀流），不能出现下游雍水现象（也即淹没出流）。
第二类通过水工建筑物量水的方法也要求下游最好为自由出流，虽然这种方法在下游为淹没出流时也可以测流，但测量精度会大幅下降，基本上不采用。
采用水工建筑物量水的流量计实际上是由水位计、二次积算仪加辅助的工程建筑物的总称。
·辅助的工程建筑物主要有：
量水槽（巴希尔槽、无喉道量水槽等）
量水堰（薄壁堰、三角堰、宽顶堰等））
闸孔涵洞
·水位计主要有：
超声波水位计（接触式式）
超声波水位计（非接触式式）
浮子式水位计
压力式水位计
雷达水位计
磁伸缩水位计
水尺（人工读数）
一般讲如果是自由出流，用一个上游水位就可通过公式换算或查曲线求得流量，如果是淹没出流，则需要上下游两个水位。
在精度方面，由高向低排列如下：
类型精度
自由出流薄壁堰2%
自由出流宽顶堰3%
自由出流巴希尔槽3%
自由出流无喉道量水槽3%-5%
自由出流闸孔5%
自由出流标准断面5-20%
淹没出流薄壁堰20%
淹没出流宽顶堰25%
淹没出流巴希尔槽25%
淹没出流无喉道量水槽25%
淹没出流闸孔20-30%
淹没出流标准断面30%
（上述精度是渠道小于5米且流态较稳时的理论精度，渠道越宽精度越低）
2、流速面积法
流速面积法流量计主要通过测流速及水位来计算求得流量，主要有：
①超声波时差法
测量线流速，分单声道法与多声道法。
②超声波多普勒法
测量局部面流速，分为ADCP法（适合宽渠道，有固定与走航式两种。
）与普通多普勒法（适合宽20米内渠道）。
③流速仪法
测量点流速，人工手动测量。
④非接触面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪）
按渠道宽窄具体使用以下方式：
·窄渠道（一般宽度在25米以下）：
普通多普勒法（纵向发射）精度2%
时差法流量计精度2%
流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。
）
非接触面流速仪
·宽渠道：
固定ADCP法（横向发射）
多普勒走航式明渠流量计
时差法明渠流量计
流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。
）
非接触面流速仪
3.两种方法比较
水位法是通过测量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并经经验公式或实验曲线换算成流量来实现计量的。
因此水位法流量计需要修建量水建筑物，且精度不高，当渠道沿程水头差较小时，量水建筑物会产生水头损失而影响渠道过水；另一方面当量水建筑物下游附近建有闸门等挡水建筑物时会在量水建筑物处形成淹没出流，此时测量精度会大幅下降。
水位法一般应用于宽度比较小或流量比较小的渠道，渠道宽度超过1米时，量水建筑物造价会增加很多，而此时不做量水建筑物直接用渠道的水位流量经验关系曲线测流时精度会很低。
流速面积法则不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（实际上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速来求得流量，并且精度高，且不受下游顶托水的影响。
流速面积法流量计主要有超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计。
由于超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计过去主要以国外产品为主，国内几乎没有同类产品，因此造价很高，一般在主要干渠及重要支渠上安装此类产品，斗口很难普及，一般均以水位法流量计（水位计+量水建筑物）作为斗口计量的主要设备。
3、渠道测流设备
1.宽度25米以上的宽浅渠道的测流方法选择
渠道宽度在25米以上时，水位法误差会很大，因此只能采用流速面积法测流。
可选用的流速面积法目前主要有以下五种方法：
固定ADCP法（横向发射）
多普勒走航式明渠流量计
时差法明渠流量计
流速仪（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。
）
⑤非接触表面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪）
其中
、
需要人工辅助测量，不能在线自动监测；
、
为目前主要采用的在线监测方法，⑤即可人工测也可在线自动监测。
时差法明渠流量计适用于清水，水中汽泡与杂质不宜过多，有单声道与多声道之分，安装于渠道的两岸，安装精度要求高，维护费用也高，目前使用比较少。
固定ADCP法（横向发射）原理为多普勒法，适用于污水及有汽泡或杂质的清水，有单探头与多探头之分，安装于渠道单侧，安装维护相对简单，目前被广泛使用。
2.宽度25米以内的窄渠道的测流方法选择
如果水位法能满足测流要求，则尽量用水位法，原因主要有：
①安全性好：
其野外防盗防破坏及防淤积性能均优于流速面积法。
②可靠性好：
不受水中悬浮物干扰，不易受环境影响。
③安装维护简单：
不需停水安装与检修。
水位法
流速面积法：
修建量水建筑物
一般需要，费用随渠道宽度增加而增加。
不需要
渠宽限制
2米以内
没有
顺直段要求
前10后5
前10后5
可靠性及安全性
高
一般
精度
有些情况下高（如薄壁堰），有些很低（淹没出流标准断面）。
普遍高
水头损失
有
没有
受下游雍水影响
大
没有
造价
随渠宽增大而增大
与渠宽没关系
流速面积法的选型：
流速仪一般用于人工手动校核率定测量，不用于自动监测，ADCP一般用于宽渠道的测量，且价格很高。
一般中小渠道流速面积法的选择主要三种类型：
①超声波时差法流量计（分单声道法与多声道法）
如：
RISONIC2000（瑞士）
②超声波多普勒法流量计
如：
HOH-L-O1（北京金水中科）
③非接触表面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪）
1）．超声波时差法流量计（分单声道法与多声道法）
实物安装图如下图：
安装示意图如下：
测流原理如下图：
断面的平均流速等于=（V1*A1+V2*A2+…Vi*Ai+…+Vn*An）/A
Vi:
第i个流速探头测量的平均线流速
Ai:
第i个分割面积
2）．超声波多普勒流量计
实物安装图如下图:
安装示意图如下图:
测流原理如下图:
断面的平均流速=实际测速范围内的杂质最大概率流速
3）．ADCP
单声路实物图及安装图：
单声路测流原理图：
多声路实物图及安装图：
多声路测流原理图：
4）非接触表面流速仪法（雷达流速仪、超声流速仪）
前两种常用方法相互比较如下：
测速原理均是测出标准断面上的部分流速来换算为整体断面的平均流速，这里只比较两种测量方法的精度：
①超声波时差法（多声道法）
②超声波多普勒法
从理论上讲，两种方法测得的各自测流范围的流速精度应该都是很高的，都在1%以内，关键是换算为断面整体平均流速时其计算模型会产生误差，因此这两种方法的实际断面流量测量精度主要是换算模型及公式的精度及校准精度。
从上述测量原理图中可以看出，超声波时差法（多声道法）的实际测量范围是线，超声波多普勒法的实际测量范围为面，比较如下图：
超声波时差法（多声道法）与超声波多普勒法的测量精度及优缺点进行比较。
水质
要求
安装
维护
价格
可靠性
测量精度
宽浅渠道（渠宽〉5倍水深）
中等渠道（5倍水深》渠宽》水深）
窄渠道
（渠宽〈水深）
超声波时差法（多声道法）
清水，水中漂浮物要少
难
高
中
高
高
一般
超声波多
普勒法
浑水，水中需有杂质或气泡
易
中
中
一般
高
很高
（对窄渠道（一般宽度在20米一下）多普勒法（纵向发射）流量计与时差法流量计相比，当水位波动较大时，前者精度较高，当流态左右岸不均匀时，后者较高。
）
四、设备的选型及安装维护
1.选型
按照渠道宽度及类型不同测流设备大致可按照下表进行选型：
渠道宽度范围
渠道
类型
自动在线测流设备类型
人工测流设备类型
30米
以上
自然
河道
ADCP（横向）
流速仪、非接触流速仪（雷达、超声）、走航式ADCP
矩形人工渠道
ADCP（横向、纵向）、多声道时差法明渠流量计
流速仪、非接触流速仪（雷达、超声）、走航式ADCP
梯形人工渠道
ADCP（横向、纵向）
流速仪、非接触流速仪（雷达、超声）、走航式ADCP
5米--
30米
自然
河道
ADCP（横向）、多普勒明渠流量计
流速仪、非接触流速仪（雷达、超声）、走航式ADCP
矩形人工渠道
ADCP（横向、纵向）、多声道时差法明渠流量计、多普勒明渠流量计
流速仪、非接触流速仪（雷达、超声）、走航式ADCP
梯形人工渠道
ADCP（横向、纵向）、多普勒明渠流量计
流速仪、非接触流速仪（雷达、超声）、走航式ADCP
1米-
5米
自然
河道
ADCP（横向、纵向）、多普勒明渠流量计、非接触流速仪（雷达、超声）
流速仪、非接触流速仪（雷达、超声）、走航式ADCP
矩形人工渠道
ADCP（横向、纵向）、多声道时差法明渠流量计、多普勒明渠流量计、非接触流速仪（雷达、超声）、水位法流量计
流速仪、非接触流速仪（雷达、超声）、走航式ADCP、水位计
梯形人工渠道
ADCP（横向、纵向）、多普勒明渠流量计、非接触流速仪（雷达、超声）、水位法流量计
流速仪、非接触流速仪（雷达、超声）、走航式ADCP、水位计
1米
以下
矩形人工渠道
多普勒明渠流量计、多声道时差法明渠流量计、水位法流量计
流速仪、水位计
梯形人工渠道
多普勒明渠流量计、水位法流量计
流速仪、水位计
其他形状渠道
多普勒明渠流量计、水位法流量计
流速仪、水位计
2.选址
测流位置的选择主要考虑以下三个方面：
1）测流精度
流速面积法测流一定要选渠道断面形状规则稳定的顺直段，以保证水流平稳均匀，并尽量满足前10后5水力半径（渠道宽度）的要求。
当渠道的流态为急流时，由于下游的干扰不会向上游传导，此时在选择顺直段长度时可不考虑后5的要求，尽量保证测流点上游有足够的长度。
2）供电方便
尽量靠近有管理房的地方安装设备，这样电源可不用额外的费用，并且二次仪表等设备可放置于管理房中。
在野外没有管理房及220V电源不方便时，再考虑太阳能供电。
3）安全维护
与水接触的测流设备在断水期间会露出水面，如果在野外则会成为很严重的安全隐患，所以条件允许的话尽可能将设备安装于有人值守的管理区范围内，这样也方便设备的日常维护。
3.安装
与水接触的测流设备设备的安装主要考虑以下几方面
1）避免淤积与堵塞
设备一般不安装到渠道最底部，避免淤积与大块推移质的冲撞；另水中一般会有水草及塑料袋等垃圾，很容易堵塞超声传感器发射与接收装置，所以设备尽可能嵌入渠璧或紧贴渠璧安装。
2）方便维护与装卸
设备采用支架方式安装，便于在发生故障或进行日常维护时装卸，同时可在某些四季不断水或积水排不干的渠道上带水安装。
其缺点是有可能会增加堵塞的概率并在水流高速时受到较大的冲击。
3）采用防盗安装
在不影响测流精度的情况下尽量采用适当的防盗措施。
4.维护
及时清理设备上的堵塞物、清洁传感器、定时校准设备。
5、测流设备的率定
渠道测流设备的率定一般用传统的流速仪法，费用低并且可靠性高，在加密布线的情况下精度也能保证。
1.对比测流工况与次数选择
为了率定测流设备的实际测量精度及流量修正系数，我们通过传统的流速仪测流法来进行在同一测流断面的对比测流实验。
对某些测流设备来讲，在渠道测流条件非常理想时，其测流结果直接就是实际流量，是不需要进行流量修正的（即不需要流量修正系数），流量修正系数实际是由于渠道测流断面流态条件不
理想等原因产生的，如渠道没有足够长的顺直段使得测流断面有偏流情况时，这时测流结果需乘以由于偏流引起的流量修正系数。
在线测流设备的流量修正系数在一个测流断面不是一个恒定的值，是会随着水流状态发生变化的，一般是通过随高、中、低三个代表性水位变化来表示的。
当渠道测流断面较宽且偏流现象严重时，对于不同的水位流量修正系数会有比较大的差别（例如流量修正系数在高水位时大于1而在低水位时小于1）。
所以在选择测流断面时应尽量避免这种情况出现，要保证在高、中、低不同水位时流量修正系数基本保持一致（都大于1或都小于1），这时可用一个平均流量修正系数来表示整个断面的流量修正系数。
对比测流如果按水位10等分并在每种水位条件下进行高、中、低三种流速的流况下进行，则共计会有30次比较完整对比测流实验，具体如下表。
实际进行对比测流时，一般进行简化处理，大多是选择具有代表性的高、中、低三个水位进行3次对比侧流试验。
30次完整的对比测流实验表
序号
水位（最高水位为H）
流态（高、中、低流速）
流速仪法实测值
流量计测量值
1
H
高
2
中
3
低
4
0.9H
高
5
中
6
低
7
0.8H
高
8
中
9
低
10
0.7H
高
11
中
12
低
13
0.6H
高
14
中
15
低
16
0.5H
高
17
中
18
低
19
0.4H
高
20
中
21
低
22
0.3H
高
23
中
24
低
25
0.2H
高
26
中
27
低
28
0.1H
高
29
中
30
低
2.流速仪法的具体方法
1）测线布设
不同渠宽的测线布设数目
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
2）流速测量
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
3）断面测量
断面测量包括测线间距（部分宽）测量和水深测量。
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。
水深测量测秆直接观读，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。
4）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=
3.对比测流数据处理
序号
流速仪法实测值
流量计测量值
流量修正系数
平均流量修正系数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
流量修正系数=流速仪法实测值/流量计测量值
平均流量修正系数=（流量修正系数1+流量修正系数2+...+流量修正系数30）/30
4.率定结果处理
流量修正系数如果大于1.2或小于0.8，则说明测流断面选择有问题或流量计在断面上的安装位置有问题，需重新选择测流断面或流量计安装位置。
如果30次不同流况下率定的流量修正系数最大与最小值大小误差在10%以内，则用平均流量修正系数作为该断面的流量修正系数。
如果30次不同流况下率定的流量修正系数最大与最小值大小误差在10%以上20%以内，则按高、中、低水位或高、低水位确定该断面的3个或2个不同水位范围的流量修正系数。
如果30次不同流况下率定的流量修正系数最大与最小值大小误差在20%以上，则说明测流断面选择有问题，需重新选择测流断面。
6、测流设备的测量精度提高
以上几种测流设备在实际应用中其实际测量精度与理论精度（即仪器出厂标定精度）肯定会有一定的差距，这主要是由于安装位置、安装精度、数据处理方法、率定方法等产生的，因此提高测量精度主要从这几点入手：
（1）调整安装位置
尽量选择具有标准断面的顺直渠道，满足前10后5的要求（既仪器上游顺直段有10倍渠宽，下游顺直段有5倍渠宽）。
如果不满足这个要求，水的流态不会非常平稳，会产生测量结果偏大或偏小的情况，这时就需要进行修正，一般是乘以一个修正系数（该系数是通过现场率定产生的）或调整安装位置。
（2）提高安装精度
主要为流速探头的安装角度、位置等是否准确，如果安装角度发生偏差，则结果会有一个固定的误差系数，这时候为提高测量精度则需要调整安装角度或乘以一个修正系数。
（3）数据处理方法
主要是指在实际测量过程中现场会有各种干扰（如正在测量时有鱼在流速探头附近游过），使个别数据不准或完全失真，如果测量的时间间隔较大，则这些失真数据会对测量结果产生较大影响，因此需要增加测量时间间隔密度或对失真数据进行删除或平滑处理。
（4）率定方法
率定时一定要保证在一段时间内测量断面处的过流量保持恒定，否则在涨水或落水的过程中同样的水位会对应不同的流量，造成校准系数结果偏大（落水）或偏小（涨水）；另一个要注意的是要选择一个或几个合适的水位附近进行校准，不能选择极端水位；当实际断面过流量的准确值无法获得时，可通过对称法或反向法安装仪器来抵消系统误差。
七、在线测流系统的一般结构及组成
系统组成结构图：
其中：
①流量计由水位流速传感器与终端机（二次仪表）组成；
②监控管理软件安装于服务器上。
③通讯仪器可选无线通讯设备或有线网络通讯设备。
电源系统可采用民用供电系统或太阳能供电系统，也可使用电池供电。
系统组成：
明渠流量计
通讯仪器
监控软件及服务器
电源系统
8、相关规范标准
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