如何进行流量测算？

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：图X2.4流量模型示意图由上述分析可知，流速面积法测量流量的工作包括断面测量、流速测量两部分。X2.2.2.1断面测量断面测量是在测流断面上布置若干条测深垂线，施测各垂线的水深，以及各垂线相对于岸边某一固定点的水平距离，即起点距，如图X2.5所示。图X2.5断面测量示意图横断面；平面起点距测量的方法很多。X2.2.2.2流速测量当前，国内外在天然河道流速测量中普遍采用流速仪法。X2.2.2.3流量计算断面流量的计算步骤如下：计算垂线平均流速。

流量测验方法按测流的工作原理可分为流速面积法、水力学法、化学法、物理法等。流速面积法是目前国内外使用最为广泛的方法，以下重点介绍。

由水力学可知，流量等于断面平均流速与过水断面面积的乘积。天然河流因受边界条件的影响，断面内的流速分布很不均匀，流速随水平及垂直方向位置的不同而变化，采用由部分到整体的思路，可用垂线将水流断面分成若干部分，过水断面流量形状如图X2.4所示。

流速面积法测流原理为：通过测算部分流速Vi和部分面积fi，两者的乘积即为通过该部分面积上的流量qi，然后累计求得全断面的流量Q＝∑qi。

图X2.4　流量模型示意图

由上述分析可知，流速面积法测量流量的工作包括断面测量、流速测量两部分。

X2.2.2.1　断面测量

断面测量是在测流断面上布置若干条测深垂线，施测各垂线的水深，以及各垂线相对于岸边某一固定点的水平距离，即起点距，如图X2.5（a）所示。

断面测深垂线的数目和位置应根据河床转折变化情况而定，一般主槽较密，岸边较稀。测深工具视水深、流速大小分别采用测深杆、测深锤或测深铅鱼、回声测深仪等。

图X2.5　断面测量示意图

（a）横断面；（b）平面

起点距测量的方法很多。在中小河流上以断面索法最简便，即架设一条过河的断面索，在断面索上读出起点距。大河上常用测角交会法，在岸上用经纬仪观测α角或在船上用六分仪观测β角，如图X2.5（b）所示，由于基线长度AC已知，则可算出起点距OA＝ACtanα＝ACcotβ。

各垂线水深及起点距测量后，可用梯形法计算垂线间面积，各垂线间面积相加得断面面积。根据观测水位减去垂线水深可得出各垂线的河底高程，有了各垂线起点距和水深或河底高程可绘制水道断面图。

另外，为了解断面冲淤变化，还应进行大断面测量，测量范围除过水断面外，还应测至历年最高洪水位以上0.5～1.0m。对于河床稳定的测站，每年汛前或汛后施测一次；河床不稳定的测站，除每年汛前或汛后施测外，并在洪水期加测。

X2.2.2.2　流速测量

当前，国内外在天然河道流速测量中普遍采用流速仪法。

1.流速仪及其测速原理

流速仪可划分为转子流速仪和非转子式流速仪两大类，我国常用的是转子流速仪，按旋转器不同分成旋杯式流速仪和旋桨式流速仪，如图X2.6、图X2.7所示。现在还有一种直读式流速仪，它由一个涡轮位移传感器和一根可伸缩，顶端带有数字显示功能的直杆组成。仪器利用涡轮传感器实现精确的位移测定。水流带动涡轮沿摩擦很小的轴转动，旁边的磁性金属在涡轮转动时会产生电信号脉冲，通过转换装置可以将转速转换成水流速度在手柄屏幕上显示出来。数字显示装置将涡轮传感器传来的电信号放大并转换成水流速度显示出来。防水屏可以显示水流的瞬时速度和平均速度，并且有两个按钮来变换功能和屏幕清零。由于水流任意一点流速具有脉动现象，用流速仪测量的某点流速是指测点时均流速。

图X2.6　旋杯式流速仪

图X2.7　旋桨式流速仪

转子流速仪由感应水流的旋转器（旋杯或旋桨）、记录信号的记数器和保持仪器头部正对水流的尾翼等三部分组成。旋杯或旋桨受水流冲击而旋转，流速愈大，转速愈快。平均每秒旋转数n与流速v的关系，可由式（X2.2）表示

v＝kn＋c

其中

式中　v——测点流速，m/s；

k、c——为仪器常数，可通过对仪器检定确定；

n——仪器转速；

N——转子的总转数；

T——测速总历时，s，为了消除流速脉动影响，总历时T一般不少于100s。

2.测速垂线布设与测点选择

天然河流的流速变化复杂，横向上主槽最大，两岸边较小；水深方向上水面附近流速最大，然后向河底逐渐减小。为了控制测流断面流速变化，就要合理布置垂线数目及垂线上测点数。一般测速垂线布置宜均匀，并应能控制断面地形和流速沿河宽分布的主要转折点。主槽垂线应较河滩密。测速垂线的位置宜固定，并尽量与测深垂线相一致。垂线上测点应依据水深的大小按表X2.1的规定布设。

表X2.1　垂线的流速测点分布位置

注　1.相对水深为仪器入水深与垂线水深之比。在冰期，相对水深应为有效相对水深。
2.表中所列五点、六点、十一点法供特殊要求时选用。

一般测速垂线愈多，精度愈高，多垂线和测点（五点、六点、十一点）的测流资料一般只在分析研究时使用。在生产实际中，测验断面一般布置较少垂线和测点（三点、二点、一点）。上述流速仪测量各测点流速的方法可称为选点法，是流速仪测流的常用方法。此外，流速仪测验还有积深法、积宽法。积深法是将流速仪沿测速垂线匀速下放测定垂线平均流速的方法。积宽法是使流速仪在预定深度处沿断面方向匀速横渡，取得某一深度即某一水层平均流速或多层的断面平均流速，如动船法和缆道积宽法测流，可参阅有关书籍。

另外，在发生大洪水（水面漂浮物较多）或某些不便于使用流速仪的情况下，也可以采用水面浮标法测流速，只是所测流速为水面流速vf，其值为

vf＝L/T

式中　L——上下浮标断面间的距离，m；

T——浮标流经上下浮标断面的历时，s。

X2.2.2.3　流量计算

断面流量的计算步骤如下：

（1）计算垂线平均流速。由测点流速仪转数、测速历时计算各点流速后，根据垂线上布置的测点数目，分别按以下公式计算垂线平均流速vm。

一点法：

二点法：

三点法：

或

五点法：

式中　　　　　　　　　　vm——垂线平均流速，m/s；

v0.0，v0.2，v0.6，v0.8，v1.0——各相对水深处的测点流速，m/s。

（2）计算部分平均流速。两测速垂线中间部分的平均流速，按式（X2.8）计算

式中　——第i部分面积的平均流速，m/s；

vmi——第i条垂线的平均流速，m/s，i＝2，3，…，n-1。

靠岸边或死水边的部分面积的平均流速，按下式计算

式中　α——岸边流速系数，α值应视岸边具体情况确定。斜坡岸边α＝0.67～0.75，陡岸边α＝0.8～0.9，死水边α＝0.6。

（3）计算部分面积。以测速垂线为分界线，将过水断面划分为若干部分，如图X2.8所示。部分面积按式（X2.11）计算

图X2.8　部分面积计算划分示意图D—起点距

式中　ai——第i部分的面积，m2；

i——测深垂线序号，i＝1，2，…，n；

di——第i条垂线的水深，m；

bi——第i部分断面宽，m。

（4）计算部分流量。部分流量为部分面积平均流速与部分面积的乘积。即

式中　qi——第i部分流量，m3/s。

（5）计算断面流量。为各部分流量之和，即

式中　Q——断面流量，m3/s。

（6）计算断面平均流速与平均水深。断面平均流速为断面流量除以过水断面面积。平均水深为过水断面面积除以水面宽。水面宽为右水边起点距与左水边起点距之差值。

（7）计算相应水位。相应水位是指与本次实测流量值相对应的水位。当水位变化引起水道断面面积的变化较小时，可取测流开始和终了两次水位的平均值作为相应水位。否则，应以加权平均法或其他方法计算相应水位，这里不做详细介绍，可参考有关书籍。

【例X2.1】　某一水文站施测流量，岸边系数α取为0.7，按上述方法计算流量，成果见表X2.2。

表X2.2　某站测深测速记载及流量计算表

当用浮标法测流速时，计算流量的方法步骤基本与以上步骤相同。只是用水面流速代替垂线平均流速进行计算。由于水面流速通常大于垂线平均流速，所以由水面流速计算的断面流量偏大，称为虚流量，需要乘以浮标系数才是真实流量，计算公式为

式中　Q——断面流量，m3/s；

Q虚——断面虚流量，m3/s，是由水面流速计算的流量；

Kf——浮标系数，由试验求得，一般为0.7～0.9。

详细内容可参阅其他专业书籍。

X2.2.2.4　流量测验新方法简介

目前新技术在测流方法上应用很多。例如，超声波测流有多普勒法、时差法。其中多普勒超声流速仪（ADCP）在国际上已获得普遍应用，我国20世纪90年代中期开始在河口及一些大江大河重要水文站使用。它利用声学多普勒测速原理，测出垂线各点流速。ADCP安装在船上，驶过整个断面，就测得了整个断面上的流速分布。测得数据经过计算机自动处理，测流过程全部自动化。这种设备适合在含沙量不是很高的大中河流，测量快速，精度较高。超声波时差法测流是在河道两岸安装一对或几对超声换能器，利用超声波在水中传播特性来测量一个水层或几个水层的平均流速。该法能够瞬时测得流速、流量及其变化过程，便于遥测、遥控，是江河测流自动化最有前途的方法之一。国外水文站一般无人驻守，使用该法较多。这种方法适用于中小河流，我国目前使用不多。另外，电波流速仪（微波多普勒流速仪）不必接触水面，即可测得水面流速，很适合桥测、巡测等。此外，测流方法还有溶液法、航空遥感测流、电场法、光学法等。

式中　——第i部分面积的平均流速，m/s；