水文流量测验.docx

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水文流量测验

流量测验

1流量测验的意义和目的

1.1流量的定义

流量：

单位时间内流过某一过水断面的水体体积，常用单位是立方米每秒（m3/s）。

流量是反映水利资源和江河湖库水量变化的基本资料，也是河流最重要的水文要素之一。

观测流量的测站一般称为流量站，既观测水位又观测流量的测站才称为水文站。

无论是防洪抗旱，还是水资源的开发、利用、配置、管理、流域规划、工程设计、水利工程管理运用、航运、灌溉、供水等，都必须掌握江河的径流资料，及时了解流量的大小和变化情况。

只有通过流量测验才能准确获得江河流量的大小，流量测验泛指通过实测或其他水力要素间接推求流量的过程，一般情况下是指实测流量。

实测流量（也常简称测流）是通过采用专用的仪器设备进行流速和断面面积测量，并计算出断面流量的作业过程。

流量测验的目的是要获得江河径流和流量的瞬时变化资料，一般情况下，河道（或渠道）水位与流量都存在相应的关系，水位的升降反映的是流量的增加或减小。

水位与流量存在的这种关系，在水文测验中简称“水文流量关系”。

若建立了测站的水位流量关系，就可使测站在一定时期内，仅需通过水位观测，便可推求出任何时刻的流量。

但由于受到糙率、比降、过水断面冲淤等因素变化的影响，水位与流量的关系大多数情况下并非严格意义上的函数关系，而是一种相关关系，这种相关关系有时还会发生一定的变化。

因此，大多数水文测站需要经常进行实测流量，建立或及时修正水位流量关系，并通过水位观测值，利用建立的水位流量关系推求逐时流量值，进一步计算逐日流量、各种流量特征值和径流资料。

因此，流量测验的主要目的是用来建立水位流量关系。

2流量测验方法简介

2.1流量测验方法分类

由于流量测验在水文测验中占有重要地位，因此国内外采用的流量测验方法和手段很多，主要分为以下几类。

⑴根据测验时河流流量的大小，分为洪水流量测验、平水流量测验、枯水流量测验。

⑵根据测量时水流是否有冰情，分为畅流期流量测验、流冰期流量测验、封冻期流量测验。

⑶按流量测验原理，分为流速面积法、水力学法、化学（稀释）法、直接法等。

2.2流速面积法

流速面积法（也称面积流速法）是通过实测断面上的流速和过水断面面积来推求流量的一种方法，此法应用最为广泛。

其中，流速仪法是指用流速仪测量断面上一定测点流速，推算断面流速分布。

1.流速仪法

根据测定平均流速的方法不同，又分为积点法、积分法等。

⑴积点法是将流速仪停留在测速垂线的预定点即所谓测点上，测定各测点流速，计算垂线平均流速，进而推求断面流量的方法。

目前，普遍用它作为检验其他方法测验精度的基本方法。

⑵积分法是流速仪以运动的方式测取垂线或断面平均流速的测速方法。

根据流速仪运动形式的不同，积分法又可分为积深法和积宽法。

2.3水力学法

测量水力因素，选用适当的水力学公式计算出流量的方法，叫水力学法。

水力学法又分为量水建筑物测流、水工建筑测流、比降面积法3类。

2.4化学法

化学法又称为稀释法、溶液法、示踪法等。

3流量测验的方式和要求

3.1流量测验的方式

流量测验的方式有多种，根据测站运行管理情况分类，水文测站的测验方式主要有驻测、巡测、遥测、间测、检测、校测、委托观测等方式。

驻测是水文专业人员驻站进行水文测验的作业方式。

驻测是目前我国采用的主要测验方式，而发达国家几乎不采用驻测，以巡测和遥测为主。

3.2确定流量测次的基本原则

⑴测流次数必须根据高中低各级水位的水流特性、测站控制情况和测验精度要求掌握各个时期的水情变化，合理地分布于各级水位和水情变化过程的转折点处。

⑵对水位流量关系稳定的测站，每年应不小于15次。

⑶对水位流量关系不稳定的测站，其测次满足推算逐日流量和各项特征值的要求。

⑷对新设测站初期的测流次数，应适当增加。

4水道断面测量

4.1测深垂线的布设原则

测深垂线的布设易均匀分布，并应能控制河床变化的转折点，使部分水道断面面积无大补大割情况。

当河道有明显边滩时，主槽部分的测深垂线应较滩地为密。

新设测站，为取得精密法测深资料，为以后进行垂线精简分析打基础，要求测深垂线数不少于规定数量的一倍。

4.2水道断面测量误差的控制

为了控制或消除测量误差，断面测量必须按照操作规定施测，并应符合以下规定：

⑴当有波浪影响观测时，每个测深点的水深观测不应少于3次，取其平均值。

⑵对水深测量点必须湍流横断面线上。

5流速仪法流量测验

5.1流速仪法测流的主要工作内容

⑴测前准备。

确定测深垂线、测速垂线、测速历时、检查仪器设备等。

⑵水位观测

⑶水道断面测量（测宽和测深）

⑷流速测量

⑸现场检查整理

⑹计算实测流量

⑺检查分析流量测验成果

5.2流速仪法流量测验的适用条件

⑴断面内大多数测点的流速不超过流速仪的测速范围，在特殊情况下超过了适用范围时，应在资料中说明；当高流速超出仪器测速范围30％时，应在使用后将仪器封存，重新检定。

⑵垂线水深不应小于流速仪用一点法测速的必要水深。

⑶在一次测流的起迄时间内，水位涨落差不应大于平均水深的10％；水深较小而涨落急剧的河流不应大于平均水深的20％。

⑷流经测流断面的漂浮物不致频繁影响流速仪正常运转。

5.3测速垂线的布设

⑴测速垂线宜均匀分布，并能控制断面地形和流速沿河宽分布的主要转折点，无大补大割。

⑵主槽垂线较河滩为密。

⑶对测流断面内，大于总流量1%的独股分流、串沟，需布设测速垂线。

⑷随水位级的不同，断面形状或流速横向分布有较明显变化的，可分高、中、低水位级分别布设测速垂线。

⑸测速垂线的位置宜固定，当水位涨落或河岸冲淤，使靠岸边的垂线离岸边太远或太近，断面上出现死水、回流，河底地形或测点流速沿河宽分布有较变化，要随时调整或补充测速垂线。

5.4流速测量的要求

1.流速测点的分布要求

⑴一条垂线上相邻两测点的最小间距不宜小于流速仪旋桨或旋杯的直径。

⑵测水面流速时，流速仪转子旋转部分不得露出水面。

⑶测河底流速时，应将流速仪下放至0.9水深以下，并应使仪器旋转部分的边缘离开河底2～5cm。

测冰底或冰花底时，应使流速仪旋转部分的边缘离开冰底或冰花底5cm。

2.测速历时要求

测流历时：

一次测速过程中仪器的有效起止信号之间所经历的时间称为测流历时。

单个流速测点上的测速历时一般采用100秒，当流速变率较大或垂线上测点较多时，可采用30-60秒。

6转子式流速仪

6.1转子式流速仪的组成

转子式流速仪是水文测验中最常用的流速测验仪器。

转子式流速仪主要由旋转部件、身架部件和尾翼三部分组成。

⑴旋转部件：

由感应部分、支承系统和传讯机构组成，悬桨绕着与水流方向平行的轴转动，其转速与周围流体的局部流速成单值对应关系。

⑵身架部件：

为支承仪器工作和与悬吊设备相联的部件。

⑶尾翼：

安置在身架上，它的作用是使仪器保持平衡和正对水流。

6.2转子式流速仪的类型

转子式流速仪根据转子的不同又分为旋桨式流速仪、旋杯式流速仪两种。

Ls25-1型旋桨式流速仪具备性能优良、适应性强、测速范围广等优点。

1号浆用于测量0.06-2.5m/s的流速。

2号浆用于测量0.2-5.0m/s的流速。

6.3转子式流速仪的检查和养护

6.3.1流速仪检查的必要性

每次使用流速仪之前，必须检查仪器有无污损、变形、仪器旋转是否灵活及接触丝与信号是否正常等情况。

6.3.2流速仪的比测规定

⑴常用流速仪在使用期内，应定期与备用流速仪进行比测。

其比测次数，可根据流速仪的性能、使用历时的长短及使用期间、流速和含沙量的大小情况而定。

当流速仪实际使用50～80h时应比测一次

⑵比测宜选择在水情平稳的时期和流速脉动较小、流向一致的地点进行。

⑶常用与备用流速仪应在同一测点深度上同时测速，并可采用特制的“u”形比测架，两端分别安装常用和备用流速仪，两仪器间的净距应不小于0.5m。

在比测过程中，应变换比测仪器的位置。

⑷比测点不宜靠近河底、岸边或水流紊动强度较大的地点。

⑸不宜将旋桨式流速仪与旋杯式流速仪进行比测。

⑹每次比测应包括较大较小流速且均匀的30以上测点，当比测结果其偏差不超过3％，比测条件差的不超过5％，且系统偏差能控制在±1％范围内，常用流速仪可继续使用。

超过上述偏差应停止使用，并查明原因，分析其对已测资料的影响。

⑺没有条件比测的站，仪器使用1～2年后必须重新检定。

当发现流速仪运转不正常或有问题时，应停止使用。

超过检定时间2～3年以上的流速仪，虽未使用，也应送检。

6.3.3流速仪的保养

⑴流速仪在每次使用后，应立即按仪器说明书规定的方法拆洗干净，并加仪器润滑油。

⑵流速仪装入箱内时，转子部分应悬空搁置。

⑶长期储藏备用的流速仪，易锈部件必须涂黄油保护

⑷仪器箱应放于干燥通风处，并应远离高温和有腐蚀性的物质。

仪器箱上下不应堆放重物。

⑸仪器所有的零附件及工具，应随用随放还原处

⑹仪器说明和检定图表、公式等应妥善保存。

6.3.4停表的检查

⑴停表在正常情况下应每年汛前检查一次。

当停表受过雨淋、碰撞、剧烈震动或发现走时异常时，应及时进行检查。

⑵检查时，应以每日误差小于0.5min带秒针的钟表为标准计时，与停表同时走动10min。

当误差读数不超过3s，可认为停表合格。

使用其它计时器，应按照上述规定执行。

6.3.5流速仪测流的误差来源

（1）起点据定位误差。

（2）水深测量误差。

（3）流速测点定位误差。

（4）流向偏角导致的误差。

（5）入水物体干扰流态导致的误差。

（6）流速仪轴线与流线不平行导致的误差。

（7）停表或其它计时装置的误差。

误差的控制

⑴建立仪器、测具及有关测验设备的定期检查登记制度。

⑵减少悬索偏角。

使仪器接近流速点的实际位置。

在不影响测验安全前提下，应适当增大铅鱼重量。

减少测流设备的阻水力。

7其他项目观测

7.1水位观测

⑴当测流过程中水位变化平稳时，可只在测流开始和终了各观测或摘录水位一次。

⑵平均水深大于1m的测站，当估计测流过程中水位变化引起的水道断面面积的变化超过测流开始时断面面积的5%或平均水深小于1m的测站，水道断面面积的变化超过10%时，应按能控制水位过程的要求增加观测或摘录水位的次数。

⑶当测流过程可能跨过水位过程线的峰顶或谷底时，应增加观测或摘录水位的次数。

7.2水面比降的观测

⑴需要取得河床糙率资料时。

⑵山区河流，当遇到洪水测流无法保证时。

⑶受变动回水影响，未直接通过实测掌握流量变化过程，而又没有辅助水位时。

⑷分析研究水位与流量关系时。

设有比降水尺的测站，应根据设站目的观测比降水尺水位。

当测流过程中水位变化平稳时，可只在测流开始观测一次；当水位变化较大时，应在测流开始和终了各观测一次。

8流量计算的方法

8.1垂线平均流速的计算

在每条垂线上流速的点数，因水深不同而异。

当水深不到一米时，常用一点或二点法施测，水深为1-3米时，用三点或五点法施测。

当用一点法施测流速时，测点流速即为垂线平均流速，二点法、三点法的垂线平均流速，用测点流速的算术平均值，测点和垂线平均流速均应填写。

计算方法：

一点法：

测线平均流速一般在水面向下0.6倍水深的地方。

将流速仪放在该点上，测得的流速即等于垂线上的平均流速。

即Vm=V0.6

二点法：

将流速仪放在0.2及0.8倍水深处，该测线的平均流速为：

Vm=（V0.2+V0.8）/2

三点法：

Vm=（V0.2+2V0.6+V0.8）/4或Vm=（V0.2+V0.6+V0.8）/3

五点法：

Vm=（V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0）/10

8.2部分平均流速的计算

部分平均流速是指两测速垂线间的部分平均流速，以及岸边或死水边与断面两端测速垂线间部分平均流速。

⑴中间部分平均流速等于相邻两垂线平均流速的平均值。

⑵岸边部分平均流速可由紧靠岸边的那条测速垂线的平均速度乘以岸边系数。

8.3部分面积的计算

部分面积是以测速垂线为分界。

岸边部分按三角形计算，中间部分按梯形计算。

8.4部分流量的计算

由各部分的部分平均流速与部分面积之积可得到部分流量。

8.5断面流量及其他水力要素的计算

断面面积为各部分面积之和。

断面流量为断面上各部分流量的代数和。

断面平均流速

8.6其他项目计算

⑴水道断面面积或断面总面积

⑵水面宽

⑶平均水深：

断面总面积（或水道断面面积）与水面宽的比值。

⑷最大水深：

从各条垂线的水深中取最大值。

⑸最大测点流速：

从各实测的测点流速中，取最大值。

⑹涨落率：

由测流结束和开始时的水位差除以测流总历时而得，涨水时取正值，落水时取负值。

⑺水面比降：

上下比降水尺的平均水位差除以两比降断面间的间距。

8.7河床糙率的计算

河床糙率可用曼宁公式计算：

式中：

n——糙率

——断面平均流速（m/s）

R——水力半径（m）

S——水面比降

9浮标测流的基本原理

浮标法是通过测定水面或水中的人工或天然漂浮物随水流运动的速度来推求流量的一种测流方法。

9.1浮标测流的基本原理

Qf—最大流速计算出的流量，即为虚流量。

Kf——浮标系数

9.2浮标法测流方法的选用

浮标法测流包括水面浮标法、深水浮标法、浮杆法和小浮标法，分别适用于流速仪测速困难或超出流速仪测速范围的高流速、低流速、小水深等情况的流量测验。

⑴当一次测流起止时间内的水位涨落差符合流速仪法测流的一般要求时，应采用均匀浮标法测流。

⑵当洪水涨、落急剧，洪峰历时短暂，不能用均匀浮标法测流时，可用中泓浮标法测流。

⑶当浮标投放设备冲毁或临时发生故障，或河中漂浮物过多，投放的浮标无法识别时，可用漂浮物作为浮标测流。

⑷当测流断面内一部分断面不能用流速仪测速，另一部分断面能用流速仪测速时，可采用浮标法和流速仪法联合测流。

⑸风速过大，对浮标运行有严重影响时，不宜采用浮标法测流。

9.3浮标法测流的主要内容

⑴观测基本水尺水位和比降水尺水位。

⑵投放浮标、观测各浮标流经上下断面间的运行历时，测定各浮标经过中断面的位置。

⑶观测各浮标运行期间的风力（速）及其它附属项目。

⑷实测水道断面面积，或借用断面面积。

⑸确定浮标系数和计算实测流量及其它有关数值。

⑹检查和分析测流成果。

9.4浮标系数的确定

⑴影响浮标系数的因素：

风向和风力（速）、浮标的类型、河流断面形状、水流情况等。

⑵各站应根据本站的实际情况，在不同的水位级下进行试验分析，确定浮标系数。

⑶无条件进行比测试验的水文站，根据测站控制、断面情况等，可借用所在区域有代表性的典型站的试验资料分析确定。

⑷各站制作的浮标形式和材料应固定。

⑸各种浮标法的浮标系数都应该进行，确定各自的浮标系数。

⑹如果条件允许可以根据天气状况和风向风力等不同的天气，进行试验分析确定浮标系数。

9.5确定浮标系数的方法

（1）实验法

（2）水位流量关系曲线法

（3）水面流速系数法

浮标系数的选用

湿润地区的大、中河流一般取0.85～0.90，小河取0.75～0.85。

干旱地区的大、中河流取0.80～0.85，小河取0.70～0.80。

在特殊情况下，湿润地区取0.90～1.00，干旱地区取0.65～0.70。

10水面浮标法

水面浮标是漂浮于水流表层用以测定水面流速的人工或天然漂浮物。

10.1水面浮标的制作要求

（1）浮标入水部分，表面应较粗糙，不应成流线型。

浮标下面要加系重物，保持浮标在水中漂流稳定。

浮标的入水深度不得大于水深的1/10。

浮标制作后宜放入水中试验。

（2）浮标露出水面部分，应有易于识别的明显标志。

10.2浮标投放设备

采用水面浮标测流的测站，宜设置浮标投放设备。

浮标投放设备由运行缆道和投放器构成。

⑴投放浮标的运行缆道，其平面位置应设置在浮标上断面的上游一定距离处，距离的远近，应使投放的浮标在到达上断面之前能够正常运行，其空间高度应在调查最高洪水位以上。

⑵浮标投放设备应构造简单、牢固，操作灵活、省力，并应便于连续投放和养护维修。

⑶没有条件设置浮标投放设备的测站，可用船或利用上游桥梁等渡河设施投放浮标。

10.3水面浮标的投放方法和测记要求

⑴用均匀浮标法测流，应在全断面均匀的投放浮标，有效的控制部分，宜与测流方案中确定的部位一致。

在各个已确定的控制部位附近和靠近岸边的部分均有1-2个浮标。

浮标的投放顺利，应自一岸顺次投放至另一岸。

当水情变化急剧时，可先在中泓部分投放，再在两侧投放。

⑵当采用浮标法和流速仪法联合测流时，浮标应投放至流速仪的边界以内，使两者测速区域相重叠。

⑶用中泓浮标法测流，应在中泓部位投放3-5个浮标。

浮标位置临近，运行正常，最长和最短运行历时之差不超过最短历时10%的浮标应有2-3个。

⑷当采用漂浮物浮标法测流时，宜选择中泓部位目标显著，且和浮标系数试验所选漂浮物类似的漂浮物3∽5个测定其流速。

测速的技术要求，应符合中泓浮标法测流的有关规定。

漂浮物的类型、大小、估计的出水高度和入水深度等，应详细注明。

⑸断面监视人员必须在每个浮标到达断面线时及时发出讯号。

10.4浮标运行历时的测记和浮标位置的测定

⑴断面监视人员必须在每个浮标到达断面线时及时发出讯号。

⑵记时人员应在收到浮标到达上、下断面线的讯号时，及时开启和关闭秒表，正确读记浮标的运行历时，时间读数精确至0.1s。

当运行历时大于100s时，可精确至1s。

⑶仪器交会人员应在收到浮标到达中断面线的讯号时，正确测定浮标的位置，记录浮标的序号和测量的角度，计算出相应的起点距。

浮标位置的观测，应采用经纬仪或平板仪测角交会法测定，并应在每次测流交会最后一个浮标以后，将仪器照准原后视点校核一次，当判定仪器位置末发生变动时，方可结束测量工作。

10.5测流断面的选择

⑴当采用水面浮标法测流时，宜同时施测断面。

⑵断面稳定的测站，可直接借用邻近测次的实测断面。

⑶断面冲淤变化较大的测站，可抢测冲淤变化较大部分的几条垂线水深，结合已有的实测断面资料分析确定。

10.6浮标法测流误差来源与控制

10.6.1浮标法测流的误差来源

⑴浮标系数试验分析的误差。

⑵断面测量的误差。

⑶由于水流影响，浮标分布不均匀或有效浮标过少，导致浮标流速横向分布曲线不准。

⑷浮标流经上、中、下断面线时的瞄准视差，浮标流经中断面时的定位误差。

⑸浮标运行历时的记时误差。

⑹浮标制作的人工误差。

⑺风向、风速对浮标运行的影响误差。

10.6.2浮标法测流误差的控制方法

⑴浮标系数的试验分析资料，在高水部分应有较多的试验次数。

⑵应执行有关测宽、测深的技术要求，并经常对测宽、测深的工具、仪器及有关设备进行检查和校正。

⑶控制好浮标横向分布的位置，使绘制的浮标流速横向分布曲线具有较好的代表性。

⑷必须执行规范对浮标统一定型和测速的技术要求，减小测速的误差。

⑸用精度较高的秒表记时，并经常检查，消除计时系统误差。

11.比降面积法测流

11.1比降面积法的原理和方法

11.2比降面积法的适用范围

11.2.1对河段的要求

测验河段顺直、断面稳定、在河段内断面形状沿程变化不大，无明显的回流区。

11.2.2适用范围

⑴当流速仪法或水面浮标法无法测流时，用来抢测高洪水位的流量。

⑵流量间测时，用于测量超出间测允许水位范围以外的洪水流量。

⑶测验条件较好，水位流量关系稳定，经过比测，比降面积法的测验精度满足要求时，可将比降面积法作为常规测流方法。

12测流成果的检查与分析

12.1检查的目的

⑴保证原始资料正确、可靠，及时发现测验工作中的问题、缺点和错误。

⑵随时查清施测流量的变化与有关水力因素或其他相关因素之间的因果关系。

⑶探求精简测验工作量的可能性、合理调整测验工作方案。

12.2主要内容和要求

⑴检查分析测点流速、垂线流速、水深测量等记录的正确性；以及流速测点、测速垂线、测深垂线布设的合理性。

⑵在每次测流计算、校核工作完成后，应对实测流量成果的合理性进行全面的检查分析。

⑶水位与流量关系稳定的测站，主要是检查新的关系点绘在图中偏离原来系列的程度。

水位与流量关系不稳定的测站，主要是检查新的关系点绘在图中的变化趋势同其他有关的水力因素或相关因素在各级水位下的变化情况是否相应。

⑷河道站利用综合过程线图检查时，可按测流时间和相应水位在水位过程线上点出测次的位置，以随时检查流量测次的分布是否妥当。

⑸检查和分析成果时，应密切结合测站特性和河流水情的具体情况进行。

12.3检查图表的绘制

1.垂线流速分布曲线图

2.垂线平均流速横向分布图与水道断面图

3.大断面图或水道断面图

4.水位与有关水力因素或相关因素的关系曲线图

1）水位与流量、水位与面积、水位与流速关系曲线图

2）水位与水面宽、水位与平均水深、水位与最大水深、水位与最大流速、水位与水面比降关系曲线图

3）流量系数与相关因素关系曲线图

4）平均河底高程过程线图、同水位面积过程线图、水位改正数过程线图

5）逐时水位过程线图、水位与涨落率关系曲线图

12.4单次流量的合理性分析

12.4.1单次流量测验成果的检查分析

1.测点流速、垂线流速、水深和起点距测量记录的检查分析

⑴利用垂线流速分布曲线图，检查分析其分布的合理性；

⑵利用垂线平均流速横向分布图和水道断面图，对照检查垂线平均流速横向分布的合理性；

2.流量测验成果的合理性检查分析

⑴利用水位与流量、水位与面积、水位与流速关系曲线图，检查分析其合理性；

⑵采用连实测流量过程线进行资料整编的测站，利用水位、流速、面积和流量过程线图，检查分析各过程线变化的合理性；

⑶当发现流量测点反常时，应检查分析反常的原因。

12.5流量测次布置的合理性检查分析

在每次测流结束后将流量测点点绘在逐时水位过程线上。

比如采用落差法整编资料的测站，应同时将流量测点点绘在落差过程线上。

结合流量测点在水位与流量关系图上的分布情况，进行对照检查分析。

12.6流量测验成果的综合检查分析

12.6.1河床稳定的测站

⑴利用水位与流量关系图，与前一年的关系图点绘在一起，进行对照分析检查；

⑵点绘水位与流量测点偏离曲线百分数的关系图，从中了解测站控制的变化情况，分析其原因；

⑶点绘流量测点正、负偏离百分数与时间关系图，了解测站控制随时间变化的情况，分析其原因；

12.6.2河床不稳定的测站

每隔一定年份，对测站测流断面的冲淤与水力因素及河势的关系进行分析。