1、灌區(qū)渠道測流技術(shù),高鯤鵬,目 錄,一、渠道及流態(tài) 二、渠道測流方法 三、渠道測流設(shè)備 四、設(shè)備的選型及安裝維護(hù) 1. 選型 2. 選址 3. 安裝 4. 維護(hù) 五、測流設(shè)備的率定 1. 對比測流工況與次數(shù)選擇 2. 流速儀法的具體方法 3. 對比測流數(shù)據(jù)處理 4. 率定結(jié)果處理 六、測流設(shè)備的測量精度提高 七、在線測流系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及組成 八、相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 九、國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目灌區(qū)渠首取水,一、渠道及流態(tài),渠道也即明渠（英語open channel）是一種具有自由表面（表面上各點(diǎn)受大氣壓強(qiáng)的作用）水流的渠道。根據(jù)它的形成可分為天然明渠和人工明渠。前者如天然河道；后者如人工輸水渠道、運(yùn)

2、河及未充滿水流的管道等。 明渠流動是水流的部分周界與大氣接觸具有自由表面的流動。由于自由表面上相對壓強(qiáng)為零，又稱為無壓流動。明渠一般作為明渠水流的簡稱，英語open channel flow。 明渠的特性有三點(diǎn)：水面一定與大氣接觸；且水位及流量跟隨橫斷面的變化而變化；最后就是水流方向由重力決定，由高向低的方向流動。 按照運(yùn)動要素是否隨時間變化，明渠可分為明渠恒定流和明渠非恒定流。 按照運(yùn)動要素是否隨流程變化，明渠可分為明渠均勻流和明渠非均勻流。 按照變化的緩急程度，明渠可分為明渠急變流和明渠漸（緩）變流。 以上三個分級標(biāo)準(zhǔn)可以任意搭配，比如：明渠非恒定非均勻漸變流。 急流與緩流：明渠中由于流速

3、與波速的比值不同而出現(xiàn)的兩種不同性質(zhì)的水流形態(tài)。,二、渠道測流方法,明渠測流方法從原理上可分為兩大類：水位法與流速面積法。 水位法是通過測量量水建筑物的上游水位（或上、下游水位）或渠道水位并經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式（或理論半理論公式)或?qū)嶒?yàn)曲線換算成流量來實(shí)現(xiàn)計量的。 流速面積法不需修建量水建筑物，通過測量過水?dāng)嗝婷娣e（實(shí)際上過水?dāng)嗝婷娣e是通過測量的水位來換算求得的）與斷面流速來求得流量。,二、渠道測流方法,1、水位法 水位法主要有兩大類：一類是通過測量順直渠道（流態(tài)為恒定均勻流）的水位，然后通過理論或半理論公式（如謝才公式與曼寧公式）或水位流量關(guān)系曲線來計算出或插值出流量；另一類是通過測量水工建筑物的上下

4、游水位，然后應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)曲線來求出流量。 第一類通過測量渠道水位來求流量的方法要求渠道流態(tài)必須為自由出流（也即恒定均勻流），不能出現(xiàn)下游雍水現(xiàn)象（也即淹沒出流）。 第二類通過水工建筑物量水的方法也要求下游最好為自由出流，雖然這種方法在下游為淹沒出流時也可以測流，但測量精度會大幅下降，基本上不采用。 采用水工建筑物量水的流量計實(shí)際上是由水位計、二次積算儀加輔助的工程建筑物的總稱。 輔助的工程建筑物主要有： 水位計主要有： 量水槽（巴希爾槽、無喉道量水槽等） 超聲波水位計（接觸式式） 量水堰（薄壁堰、三角堰、寬頂堰等） 超聲波水位計（非接觸式式） 閘孔涵洞 浮子式水位計 壓力式水位計 雷達(dá)水

5、位計 磁伸縮水位計 水尺（人工讀數(shù)）,二、渠道測流方法,3,3,一般講如果是自由出流，用一個上游水位就可通過公式換算或查曲線求得流量，如果是淹沒出流，則需要上下游兩個水位。在精度方面，由高向低排列如下： 類型 精度 自由出流薄壁堰 2% 自由出流寬頂堰 3% 自由出流巴希爾槽 3% 自由出流無喉道量水槽 3%-5% 自由出流閘孔 5% 自由出流標(biāo)準(zhǔn)斷面 5-20% 淹沒出流薄壁堰 20% 淹沒出流寬頂堰 25% 淹沒出流巴希爾槽 25% 淹沒出流無喉道量水槽 25% 淹沒出流閘孔 20-30% 淹沒出流標(biāo)準(zhǔn)斷面 30% （上述精度是渠道小于5米且流態(tài)較穩(wěn)時的理論精度，渠道越寬精度越低）,二、渠

6、道測流方法,2、流速面積法 流速面積法流量計主要通過測流速及水位來計算求得流量，主要有： 超聲波時差法 測量線流速，分單聲道法與多聲道法。 超聲波多普勒法 測量局部面流速，分為ADCP法（適合寬渠道，有固定與走航式兩種。）與普通多普勒法（適合寬25米內(nèi)渠道）。 流速儀法 測量點(diǎn)流速，人工手動測量。 非接觸面流速儀（雷達(dá)流速儀、超聲流速儀） 測量點(diǎn)流速，人工手動及自動測量,二、渠道測流方法,按渠道寬窄具體使用以下方式： 窄渠道（一般寬度在25米以下）： 普通多普勒法（縱向發(fā)射） 精度2% 時差法流量計 精度2% 流速儀法（一般是手動測量，比較可靠，現(xiàn)場率定用。） 非接觸面流速儀 寬渠道： 固定A

7、DCP法（橫向發(fā)射） 多普勒走航式明渠流量計 時差法明渠流量計 流速儀法（一般是手動測量，比較可靠，現(xiàn)場率定用。） 非接觸面流速儀,二、渠道測流方法,3. 兩種方法比較 水位法是通過測量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)曲線換算成流量來實(shí)現(xiàn)計量的。因此水位法流量計需要修建量水建筑物，且精度不高，當(dāng)渠道沿程水頭差較小時，量水建筑物會產(chǎn)生水頭損失而影響渠道過水；另一方面當(dāng)量水建筑物下游附近建有閘門等擋水建筑物時會在量水建筑物處形成淹沒出流，此時測量精度會大幅下降。水位法一般應(yīng)用于寬度比較小或流量比較小的渠道，渠道寬度超過1米時，量水建筑物造價會增加很多，而此時不做量水建筑物直接用

8、渠道的水位流量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線測流時精度會很低。 流速面積法則不需修建量水建筑物，通過測量過水?dāng)嗝婷娣e（實(shí)際上過水?dāng)嗝婷娣e是通過測量的水位來換算求得的）與斷面流速來求得流量，并且精度高，且不受下游頂托水的影響。流速面積法流量計主要有超聲波時差法流量計與超聲波多普勒法流量計。 由于超聲波時差法流量計與超聲波多普勒法流量計過去主要以國外產(chǎn)品為主，國內(nèi)幾乎沒有同類產(chǎn)品，因此造價很高，一般在主要干渠及重要支渠上安裝此類產(chǎn)品，斗口很難普及，一般均以水位法流量計（水位計+量水建筑物）作為斗口計量的主要設(shè)備。,三、渠道測流設(shè)備,1. 寬度25米以上的寬淺渠道的測流方法選擇 渠道寬度在25米以上時，水位法誤差會很

9、大，因此只能采用流速面積法測流?？蛇x用的流速面積法目前主要有以下五種方法： 固定ADCP法（橫向發(fā)射） 多普勒走航式明渠流量計 時差法明渠流量計 流速儀（一般是手動測量，比較可靠，現(xiàn)場率定用。） 非接觸表面流速儀（雷達(dá)流速儀、超聲流速儀） 其中、需要人工輔助測量，不能在線自動監(jiān)測；、為目前主要采用的在線監(jiān)測方法，即可人工測也可在線自動監(jiān)測。 （ （時差法明渠流量計適用于清水，水中汽泡與雜質(zhì)不宜過多，有單聲道與多聲道之分，安裝于渠道的兩岸， 安裝精度要求高，維護(hù)費(fèi)用也高，目前使用比較少；固定ADCP法（橫向發(fā)射）原理為多普勒法，適用于污 水及有汽泡或雜質(zhì)的清水，有單探頭與多探頭之分，安裝于渠道單

10、側(cè)，安裝維護(hù)相對簡單，目前被廣泛使 用。）,三、渠道測流設(shè)備,2. 寬度25米以內(nèi)的窄渠道的測流方法選擇 如果水位法能滿足測流要求，則盡量用水位法，原因主要有： 安全性好：其野外防盜防破壞及防淤積性能均優(yōu)于流速面積法。 可靠性好：不受水中懸浮物干擾，不易受環(huán)境影響。 安裝維護(hù)簡單：不需停水安裝與檢修。,三、渠道測流設(shè)備,1）超聲波時差法流量計（分單聲道法與多聲道法） 安裝示意圖如下圖： 測流原理如下圖：,斷面的平均流速等于=(V1*A1+V2*A2+Vi*Ai+Vn*An)/A Vi :第i個流速探頭測量的平均線流速 Ai :第i個分割面積,三、渠道測流設(shè)備,2）超聲波多普勒流量計 實(shí)物安裝圖

11、如下圖:,斷面的平均流速=實(shí)際測速范圍內(nèi)的雜質(zhì)最大概率流速,三、渠道測流設(shè)備,3）ADCP 多聲路實(shí)物圖及安裝圖：,多聲路測流原理圖,三、渠道測流設(shè)備,4）非接觸表面流速儀法（雷達(dá)流速儀、超聲流速儀）,三、渠道測流設(shè)備,兩種常用方法：超聲波時差法（多聲道法） 超聲波多普勒法相互比較如下,（對窄渠道（一般寬度在20米一下）多普勒法（縱向發(fā)射）流量計與時差法流量計相比，當(dāng)水位波動較大時，前者精度較高，當(dāng)流態(tài)左右岸不均勻時，后者較高。）,從理論上講，兩種方法測得的各自測流范圍的流速精度應(yīng)該都是很高的，都在1%以內(nèi)，關(guān)鍵是換算為斷面整體平均流速時其計算模型會產(chǎn)生誤差，因此這兩種方法的實(shí)際斷面流量測量精

12、度主要是換算模型及公式的精度及校準(zhǔn)精度。,四、設(shè)備的選型及安裝維護(hù),1. 選型,四、設(shè)備的選型及安裝維護(hù),2.選址 測流位置的選擇主要考慮以下三個方面： 1）測流精度 2）供電方便 3）安全維護(hù) 3.安裝 與水接觸的測流設(shè)備設(shè)備的安裝主要考慮以下幾方面 1）避免淤積與堵塞 2）方便維護(hù)與裝卸 3）采用防盜安裝 4.維護(hù) 及時清理設(shè)備上的堵塞物、清潔傳感器、定時校準(zhǔn)設(shè)備。,五、測流設(shè)備的率定,渠道測流設(shè)備的率定一般用傳統(tǒng)的流速儀法，費(fèi)用低并且可靠性高，在加密布線的情況下精度也能保證。 1.對比測流工況與次數(shù)選擇 在線測流設(shè)備的流量修正系數(shù)在一個測流斷面不是一個恒定的值，是會隨著水流狀態(tài)發(fā)生變化的

13、，一般是通過隨高、中、低三個代表性水位變化來表示的。當(dāng)渠道測流斷面較寬且偏流現(xiàn)象嚴(yán)重時，對于不同的水位流量修正系數(shù)會有比較大的差別（例如流量修正系數(shù)在高水位時大于1而在低水位時小于1）。所以在選擇測流斷面時應(yīng)盡量避免這種情況出現(xiàn)，要保證在高、中、低不同水位時流量修正系數(shù)基本保持一致（都大于1或都小于1），這時可用一個平均流量修正系數(shù)來表示整個斷面的流量修正系數(shù)。,五、測流設(shè)備的率定,2.流速儀法的具體方法 1）測線布設(shè) 不同渠寬的測線布設(shè)數(shù)目,2）流速測量 不同水深的測速方法,3）斷面測量,4）斷面流量計算,五、測流設(shè)備的率定,3.對比測流數(shù)據(jù)處理,流量修正系數(shù) = 流速儀法實(shí)測值/流量計測量

14、值 平均流量修正系數(shù) = (流量修正系數(shù)1+流量修正系數(shù)2+.+流量修正系數(shù)n)/n,4.率定結(jié)果處理 流量修正系數(shù)如果大于1.2或小于0.8，則說明測流斷面選擇有問題或流量計在斷面上的安裝位置有問題，需重新選擇測流斷面或流量計安裝位置。 如果n次不同流況下率定的流量修正系數(shù)最大與最小值大小誤差在10%以內(nèi)，則用平均流量修正系數(shù)作為該斷面的流量修正系數(shù);如果n次不同流況下率定的流量修正系數(shù)最大與最小值大小誤差在10%以上20%以內(nèi)，則按高、中、低水位或高、低水位確定該斷面的3個或2個不同水位范圍的流量修正系數(shù);如果n次不同流況下率定的流量修正系數(shù)最大與最小值大小誤差在20%以上，則說明測流斷面

15、選擇有問題，需重新選擇測流斷面。,六、測流設(shè)備的測量精度提高,以上幾種測流設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中其實(shí)際測量精度與理論精度（即儀器出廠標(biāo)定精度）肯定會有一定的差距，這主要是由于安裝位置、安裝精度、數(shù)據(jù)處理方法、率定方法等產(chǎn)生的，因此提高測量精度主要從這幾點(diǎn)入手： （1）調(diào)整安裝位置 盡量選擇具有標(biāo)準(zhǔn)斷面的順直渠道，滿足前10后5的要求（既儀器上游順直段有10倍渠寬，下游順直段有5倍渠寬）。如果不滿足這個要求，水的流態(tài)不會非常平穩(wěn)，會產(chǎn)生測量結(jié)果偏大或偏小的情況，這時就需要進(jìn)行修正，一般是乘以一個修正系數(shù)（該系數(shù)是通過現(xiàn)場率定產(chǎn)生的）或調(diào)整安裝位置。 （2）提高安裝精度 主要為流速探頭的安裝角度、位置等

16、是否準(zhǔn)確，如果安裝角度發(fā)生偏差，則結(jié)果會有一個固定的誤差系數(shù)，這時候?yàn)樘岣邷y量精度則需要調(diào)整安裝角度或乘以一個修正系數(shù)。 （3）數(shù)據(jù)處理方法 主要是指在實(shí)際測量過程中現(xiàn)場會有各種干擾（如正在測量時有魚在流速探頭附近游過），使個別數(shù)據(jù)不準(zhǔn)或完全失真，如果測量的時間間隔較大，則這些失真數(shù)據(jù)會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，因此需要增加測量時間間隔密度或?qū)κд鏀?shù)據(jù)進(jìn)行刪除或平滑處理。 （4）率定方法 率定時一定要保證在一段時間內(nèi)測量斷面處的過流量保持恒定，否則在漲水或落水的過程中同樣的水位會對應(yīng)不同的流量，造成校準(zhǔn)系數(shù)結(jié)果偏大（落水）或偏?。q水）；另一個要注意的是要選擇一個或幾個合適的水位附近進(jìn)行校準(zhǔn)，不

17、能選擇極端水位；當(dāng)實(shí)際斷面過流量的準(zhǔn)確值無法獲得時，可通過對稱法或反向法安裝儀器來抵消系統(tǒng)誤差。,七、在線測流系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及組成,其中：流量計由水位流速傳感器與終端機(jī)（二次儀表）組成； 監(jiān)控管理軟件安裝于服務(wù)器上。 通訊儀器可選無線通訊設(shè)備或有線網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備。 電源系統(tǒng)可采用民用供電系統(tǒng)或太陽能供電系統(tǒng)，也可使用電池供電。,八、相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施方案（2016-2018） GB 50179-2015 河流流量測驗(yàn)規(guī)范 SL 5372011 水工建筑物與堰槽測流規(guī)范 SL 3372006 聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范 SL 3652007 水資源水量監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則 SL 38

18、42007 水位觀測平臺技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 501382010 水位觀測標(biāo)準(zhǔn) SL 612003 水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 SZY 2022013水資源監(jiān)測站點(diǎn)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則 SZY 2032012 水資源監(jiān)測設(shè)備技術(shù)要求 SZY 2042012 監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試 SZY 2052012 水資源監(jiān)測設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn) SZY 2062012 水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約,九、國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目灌區(qū)渠首取水,1. 建設(shè)目標(biāo)及任務(wù)要求 監(jiān)測目標(biāo)要求：對全國河道外取水量的80%以上和全國總水量的50%以上實(shí)現(xiàn)取用水在線監(jiān)測，其中5萬畝以上灌區(qū)渠首取水全部實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，1萬畝至5萬畝灌區(qū)渠首取水實(shí)現(xiàn)在線

19、監(jiān)測或規(guī)范計量。 建設(shè)內(nèi)容：對地表取水年許可取水量在100300萬m3之間和地下取水年許可取水量在2050萬m3以上的頒證取用水戶進(jìn)行在線監(jiān)測建設(shè)，以及對2321個重點(diǎn)中型以上灌區(qū)（即灌溉面積5萬畝及以上的灌區(qū)）渠首取水量進(jìn)行監(jiān)測。 測流精度要求,九、國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目灌區(qū)渠首取水,2.技術(shù)要求 （1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由國家監(jiān)控中心、流域機(jī)構(gòu)與省分中心以及測站組成。,九、國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目灌區(qū)渠首取水,2.技術(shù)要求 （2）信息傳輸要求 包括信息傳輸路由、 通信方式、 信息采集與傳輸頻度、 通信規(guī)約。 （3）監(jiān)測站設(shè)置要求 各省對灌區(qū)渠首取水監(jiān)測站的站點(diǎn)布設(shè)應(yīng)根據(jù)二期項(xiàng)目對取用水監(jiān)測范圍的具體目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)籌安排： 大型灌區(qū)（設(shè)計灌溉面積30萬畝）渠首自動監(jiān)測站點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)保證對取水量監(jiān)控能力達(dá)到100%； 重點(diǎn)中型灌區(qū)（設(shè)計灌溉面積5萬畝）渠首自動監(jiān)測站點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)保證對取水量監(jiān)控能力達(dá)到90%以上，其中通過水庫的堰、涵、引水洞、水電站引水，及通過泵站提水灌溉的站點(diǎn)，取水量監(jiān)控能力優(yōu)先實(shí)現(xiàn)全覆蓋； 具有多取水口的灌區(qū)，對部分取水量較小、取水頻度低的取水口可采用人工觀測的方式，要求數(shù)據(jù)及時錄入數(shù)據(jù)庫，在線監(jiān)測的取水量監(jiān)控能力應(yīng)達(dá)到85%以上； 水系較復(fù)雜的地區(qū)，要調(diào)查分析水