第4章__流量測(cè)驗(yàn)[1]

1、第4章 流量測(cè)驗(yàn),4.1 概 述,流量:單位時(shí)間內(nèi)流過江河某一橫斷面的水量，以m3／s計(jì)。一、流量測(cè)驗(yàn)方法分類 （一）面積法 通過實(shí)測(cè)斷面上的流速和過水?dāng)嗝婷娣e來推求流量。流速儀測(cè)流法：比降面積法：浮標(biāo)測(cè)流法：,(二)水力學(xué)法 通過測(cè)量水工建筑物的水力因素，代入相應(yīng)的水力學(xué)公式算出流量。 (三)物理法 利用某種物理量在水中的變化來測(cè)定流速，并推算流量。超聲波法：通過測(cè)定超聲波在水流中的傳播時(shí)

2、間來測(cè)定水流速度，并結(jié)合斷面資料來推求流量的方法。電磁法：利用電磁感應(yīng)原理，根據(jù)水流切割磁場(chǎng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)與水流速度成正比的關(guān)系來測(cè)定流速，并結(jié)合斷面資料以推求流量的方法。光學(xué)法:利用光學(xué)原理研制的流速儀。(四)化學(xué)法 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，將一定濃度已知量的指示劑注入河水中，利用擴(kuò)散稀釋后的濃度與水流的流量成反比，測(cè)定水中指示劑的濃度即可推算.,二、河道中流速的分布,（一）流速脈動(dòng) 概念:分布情況:,,(二)河道中流速分

3、布1.垂線上的流速分布一般水面的流速大于河底，且曲線呈一定形狀。封凍的河流或受潮汐影響的河流，其曲線呈特殊的形狀。,,2．?dāng)嗝娴牧魉俜植己拥着c岸邊附近流速最??；冰面下流速、近兩岸邊的流速小于中泓，水最深處水面流速最大；垂線上最大流速，暢流期出現(xiàn)在水面至0.2h范圍內(nèi)，封凍期則由于蓋面冰的影響，對(duì)水流阻力增大，最大流速從水面移向半深處，等流速曲線形成閉合狀。,,,4.2 斷面測(cè)量,流速面積法測(cè)流原理 將河道斷面劃

4、分為若干部分，測(cè)算出各部分?jǐn)嗝娴拿娣e，用流速儀測(cè)流速并計(jì)算出各部分面積上的平均流速，兩者的乘積，即為部分流量，各部分流量的和為全斷面的流量，即：Q=∑qi qi=vi*fi 工作實(shí)質(zhì)：斷面測(cè)量 流速測(cè)量,具體內(nèi)容： (1)根據(jù)河流情況在測(cè)流橫斷面布設(shè)測(cè)流垂線; (2)沿各條垂線測(cè)定其起點(diǎn)距和水深； (3)在各測(cè)速垂線上測(cè)量各點(diǎn)的流速。,測(cè)量的內(nèi)容：水深、起點(diǎn)距和水位基本概念：橫斷面:垂直于河道或

5、水流方向的截面稱之橫斷面。河床線:斷面與河床的交線. 水道斷面:指某水位以下與河床線之間所包圍的面積,隨著水 位的變化而變動(dòng),一般與測(cè)流同時(shí)施測(cè).大斷面:歷史最高洪水位與河床線之間所包圍的面積.包括水上和水下兩部分.,4.2.1 斷面測(cè)量的內(nèi)容和要求,,大斷面測(cè)量要求1.測(cè)量范圍 水上部分高程采用四等水準(zhǔn)測(cè)量，水下部分測(cè)量各垂線水深并觀讀測(cè)深時(shí)的水位。大斷面測(cè)量測(cè)至歷史最高洪水位以上0.5～1.0m。漫灘較遠(yuǎn)的河

6、流，可只測(cè)至洪水邊界。有堤防的河流，應(yīng)測(cè)至堤防背河側(cè)地面為止。2.測(cè)量時(shí)間大斷面測(cè)量宜在枯水期單獨(dú)進(jìn)行。水道斷面測(cè)量一般與流量測(cè)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)進(jìn)行。,3．測(cè)量次數(shù)新設(shè)測(cè)站基本水尺斷面、測(cè)流斷面、浮標(biāo)斷面、比降斷面，均應(yīng)進(jìn)行大斷面測(cè)量。斷面設(shè)立后河床穩(wěn)定的測(cè)站:每年汛期前復(fù)測(cè)1次；河床不穩(wěn)定的站:除每年汛前、汛后施測(cè)外，每次較大洪峰后加測(cè)(汛后及較大洪峰后，可只測(cè)量洪水淹沒部分) 。 4．精度要求 大斷面岸上部分采用四

7、等水準(zhǔn)測(cè)量。地形復(fù)雜的測(cè)站可低于四等水準(zhǔn)測(cè)量。,4.2.2 水深測(cè)量,,（一）測(cè)深垂線的布設(shè)1.垂線的布設(shè)原則測(cè)深垂線的位置和數(shù)目，應(yīng)能控制河床變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，主槽部分較灘地為密。2.測(cè)深垂線數(shù)目的規(guī)定,（二）水深測(cè)量的方法1.測(cè)深桿、測(cè)深錘測(cè)深2.鉛魚測(cè)深3.超聲波測(cè)深儀測(cè)深,4.2.3 起點(diǎn)距測(cè)定,測(cè)量方法: 直接量距法 建筑物標(biāo)志法 地面標(biāo)志法 斷面索法 儀器測(cè)

8、角交會(huì)法 無線電定位法等,起點(diǎn)距: 起點(diǎn)距是指測(cè)驗(yàn)斷面上的固定起始點(diǎn)至某一垂線 的水平距離。,儀器測(cè)角交會(huì)法1.平面交會(huì)法 經(jīng)緯儀交會(huì)法平板儀交會(huì)法六分儀交會(huì)法。,兩種情況:a.當(dāng)基線不垂直于斷面 b.基線垂直于斷面時(shí)影響因素:,,2. 極坐標(biāo)交會(huì)法測(cè)量方法 從三維空間概念出發(fā),利用極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)互換原理,以測(cè)定任何一點(diǎn)的位置.特點(diǎn): 避免了瞄斷面線而帶來的起點(diǎn)距測(cè)量

9、誤差，克服平面交會(huì)法的缺陷，保證了測(cè)量精度。,,,,無線電定位法(GPS定位系統(tǒng)),1.GPS的由來與組成GPS是英文Global Positioning System的字頭縮寫詞GPS的簡稱。組成:GPS系統(tǒng)包括3大部分：空間部分--GPS衛(wèi)星星座；由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。地面控制部分--地面監(jiān)控系統(tǒng)；包括一個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站。用戶設(shè)備部分--GPS信號(hào)接收機(jī)。實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，甚至三

10、維速度和時(shí)間。,2．GPS定位的精度問題單點(diǎn)定位:1臺(tái)接收機(jī)來接收GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位的， 開機(jī)幾秒鐘后就可實(shí)現(xiàn)定位，精度為10米左右。GPS差分測(cè)量:2臺(tái)或多臺(tái)測(cè)碼型接收機(jī)同時(shí)工作。精度可達(dá)0.2—2m.相對(duì)定位測(cè)量:用2臺(tái)以上接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)相同的衛(wèi)星， 通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)組差求解后，解算出兩測(cè)點(diǎn)之間的基線向量。能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位成果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。,3.關(guān)于GPS RTK測(cè)量4.GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)

11、(1)定位精度高。 (2)觀測(cè)時(shí)間短。 (3)站間無需通視。 (4)可提供三維坐標(biāo)?？蓾M足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。(5)操作簡便。 (6)全天候作業(yè).,4.2.4 斷面資料的整理與計(jì)算檢查測(cè)深與起點(diǎn)距垂線數(shù)目及編號(hào)是否相符；測(cè)量時(shí)的水位及附屬項(xiàng)目是否填寫齊全；計(jì)算各垂線起點(diǎn)距；根據(jù)水位變化及偏角大小，確定是否需要進(jìn)行水位漲落改正及偏角改正；計(jì)算各點(diǎn)河底高程并繪制斷面圖；計(jì)算斷面面積等。,,沭河重溝站流速儀測(cè)流斷面圖,

12、沭河重溝站實(shí)測(cè)大斷面成果表,(一)測(cè)深偏角改正,,(1)濕繩改正,沖力分配系數(shù)：,（2）干繩改正,,實(shí)際應(yīng)用:1)濕繩改正： 根據(jù)懸索偏角θ，濕繩長度及懸索直徑、鉛魚重量，求得β*，再由懸索偏角θ及濕繩長度Lk，查表得濕繩改正數(shù)ΔL，求得垂直水深h為：h=Lk -ΔL2) 干繩改正：根據(jù)懸索偏角及懸架支點(diǎn)至水面高差D，從表中可查得Δ干： D=AO=AB-Δ干,,(二)計(jì)算河底高程及繪制

13、大斷面圖,1.測(cè)深垂線河底高程的計(jì)算 以開始與終了水位的平均值減去各垂線水深2.繪制水道斷面及大斷面圖 以垂線起點(diǎn)距為橫坐標(biāo)，河底高程為縱坐標(biāo)繪制。,沭河重溝站實(shí)測(cè)大斷面成果表,1.水道斷面面積計(jì)算2.大斷面計(jì)算 分析法和圖解分析法：,(三)斷面面積的計(jì)算,,4.5 流速儀測(cè)速,一.流速儀介紹分類：轉(zhuǎn)子式:旋漿式旋杯式非轉(zhuǎn)子式:超聲波流速儀電子流速儀等,,二.轉(zhuǎn)子式流速儀(一)工作原理和

14、計(jì)算方法工作原理計(jì)算公式V=KN/T+CK--水力螺距，表示流速儀的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)的行程長度；N--流速儀在測(cè)速歷時(shí)T內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù);T--測(cè)速歷時(shí)；C--附加常數(shù)。,(二)測(cè)流原理,河流橫斷面上的流速分布是不均勻的。橫斷面上流速分布可用函數(shù)式： v=f(h,B) 全斷面的流量可用積分法求得：,Q=,,Q=∑qi,測(cè)流步驟,在斷面上布設(shè)若干個(gè)測(cè)速垂線。在每一條測(cè)速垂線上布設(shè)一定數(shù)目的測(cè)速點(diǎn)進(jìn)行測(cè)速。根據(jù)測(cè)點(diǎn)流速的平

15、均值求得垂線平均流速。由垂線平均流速求得部分面積平均流速，進(jìn)而推得斷面流量。,(三)測(cè)速的方法,方法分類：根據(jù)布設(shè)垂線、測(cè)點(diǎn)的多少繁簡程度可分為： 精測(cè)法、常測(cè)法和簡測(cè)法根據(jù)測(cè)速方法的不同可分為： 積點(diǎn)法和積深法,1.精測(cè)法、常測(cè)法與簡測(cè)法的簡介精測(cè)法:在較多的垂線和測(cè)點(diǎn)上，用精密的方法測(cè)速，以研究各級(jí)水位下測(cè)流斷面的水力要素的特點(diǎn)，并為制定精簡測(cè)流方案提供依據(jù)。常測(cè)法:在保證一定精度的條件下，經(jīng)過精簡

16、分析，或直接用較少的垂線、測(cè)點(diǎn)測(cè)速，測(cè)算流量。簡測(cè)法:為適應(yīng)特殊水情，在保證一定精度的前提下，經(jīng)過精簡分析用盡可能少的垂線、測(cè)點(diǎn)測(cè)速。,2.積點(diǎn)法測(cè)速與測(cè)速點(diǎn)積點(diǎn)法:在斷面的各條線上將流速儀放在許多不同的水深點(diǎn)處逐點(diǎn)測(cè)速，然后計(jì)算流速、流量。這是目前最常用的測(cè)速方法。積深法:流速儀不停留在某點(diǎn)上測(cè)速，而是流速儀沿垂線均勻升降而測(cè)得流速。,（四）測(cè)速歷時(shí) 測(cè)速歷時(shí)越長，測(cè)得流速愈接近實(shí)際值，所以常測(cè)法要求每一測(cè)點(diǎn)測(cè)速歷

17、時(shí)一般不短于100秒。 （五）測(cè)速垂線的數(shù)目與布置測(cè)速垂線布置布設(shè)原則: (1)應(yīng)均勻分布，控制斷面地形和流速沿河寬分布的主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 (2)主槽較灘地為密； (3)對(duì)測(cè)流斷面內(nèi)大于總流量1％的獨(dú)股水流、串溝，應(yīng)布設(shè)測(cè)速垂線； (4)可按高、中、低水位級(jí)分別布設(shè)測(cè)速垂線。 (5) 測(cè)速垂線布置應(yīng)盡量固定，以便于測(cè)流成果的比較，了解斷面沖淤與流速變化情況，研究測(cè)速垂線與測(cè)速點(diǎn)數(shù)目的精簡分析等。,(六) 流向測(cè)量時(shí)

18、機(jī):新設(shè)測(cè)站流向不穩(wěn)定的測(cè)站海洋湖泊特殊需要儀器:流向儀、流向器,三.流量計(jì)算,1.計(jì)算內(nèi)容:由實(shí)測(cè)斷面資料摘取垂線的起點(diǎn)距、水深；由測(cè)速資料計(jì)算測(cè)點(diǎn)流速、垂線平均流速；計(jì)算部分?jǐn)嗝婷娣e、部分平均流速及部分流量;計(jì)算斷面流量和斷面平均流速、相應(yīng)水位等其它水力要素。,,2.計(jì)算步驟：(1)垂線平均流速(2)部分平均流速①岸邊部分:V1=aVml或Vn=aVmn②中間部分: Vi=(Vmi-1+ Vmi)/2

19、(3)部分面積的計(jì)算①岸邊部分:②中間部分:,(4)部分流量的計(jì)算：由各部分的部分平均流速Vi與部分面積Ai之積可得到部分流量: qi=Vi*Ai(5) 斷面流量及其它水力要素的計(jì)算① 斷面流量Q為斷面上各部分流量qi的代數(shù)和;② 斷面面積A為各部分面積Ai之和;③ 斷面平均流速 V=Q／A④ 斷面平均水深 h= A／B B為水面寬（m）,四、相應(yīng)水位計(jì)算,相應(yīng)水為：在水位流量關(guān)系圖上與實(shí)測(cè)流量相對(duì)應(yīng)

20、的某一瞬 時(shí)水位。1.算術(shù)平均法:2.b’Vm加權(quán)法 3.部分流量加權(quán)法,,第四節(jié) 浮標(biāo)法測(cè)流及航空攝影測(cè)流,測(cè)流原理:觀測(cè)浮標(biāo)漂移速度，測(cè)量水道橫斷面，來推估斷面流量。,,注意:浮標(biāo)測(cè)的斷面流量為虛流量Qf.實(shí)際的斷面流量Q=Kf*Qf 浮標(biāo)系數(shù)Kf取值:一般濕潤地區(qū)可取0.85～0.90；干旱地區(qū)大、中河流可取0.80～0.85,二、航空攝影測(cè)流法,利用航空攝影的方法對(duì)投入河流中的專用浮標(biāo)、浮標(biāo)組或染料等，連

21、續(xù)拍照，根據(jù)航測(cè)照片來確定斷面流量。優(yōu)點(diǎn): 不受河寬和測(cè)量范圍的限制，應(yīng)用范圍較廣.原理: 利用航空攝影測(cè)定水面流速，借以推算流量。,第五節(jié) 其他流速面積法流量測(cè)驗(yàn),一、纜道積寬法測(cè)流存在問題:1.流速為船速和水流的合成速度2.積寬系數(shù)K的確定.3.岸邊盲區(qū)的處理.4.流速儀橫向移動(dòng)速度問題.,二、比降面積測(cè)流法 通過測(cè)量比降,用水力學(xué)公式計(jì)算河段平均流速V,并測(cè)量河段的平均斷面面積F,二者相乘即為斷面流量

22、.關(guān)鍵:糙率n和水力半徑R的確定.適用條件:河流無法進(jìn)行精度較高的測(cè)流時(shí)的近似計(jì)算方法.三、量水建筑物測(cè)流量水槽（巴歇爾水槽）量水堰 ：距形堰和三角堰四、水電站測(cè)流,四、水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的幾種測(cè)流儀器(補(bǔ)充),(一)LJX-1型便攜式流速流量測(cè)算儀,組成部分：LS1206B型旋槳式流速傳感器、LJX-1型水文流速測(cè)算儀 （1）LS 1206B型旋槳式流速傳感器包括:感應(yīng)部分，傳訊機(jī)構(gòu)，尾翼和測(cè)桿四個(gè)部分 (2)L

23、JX-1型水文流速測(cè)算儀 當(dāng)把流速儀與測(cè)算儀接通后直接在屏幕上顯示測(cè)點(diǎn)流速，與計(jì)算機(jī)相接可以傳輸數(shù)據(jù)。,（二）時(shí)差法超聲波流量計(jì),1.測(cè)量原理 超聲波在靜水中以恒定的速度c傳播。在有流速v的水中，順流傳播時(shí)，傳播速度就應(yīng)是C+v；逆流傳播時(shí)，傳播速度應(yīng)是c-v。若測(cè)得逆流與順流超聲波的傳播時(shí)間差，即可求得流速。這種方法稱為時(shí)差法。,流速計(jì)算:在河道兩岸安裝一對(duì)超聲波換能器，聲信號(hào)從A器發(fā)射，由B能器接收，所需傳播時(shí)間為T1-2

24、 相反，從B換能器發(fā)射，由A換能器接收，所需的傳播時(shí)間為T2-1。,換能器安裝固定后，L和θ是常數(shù)。,2.功能和組成 (1)功能：測(cè)到是一個(gè)水層的平均流速。(2)組成：儀器由探頭和控制記錄儀器組成。,,3.斷面流量測(cè)驗(yàn) 采用多對(duì)探頭測(cè)得不同水深層平均流速。若測(cè)流斷面穩(wěn)定時(shí)，過水?dāng)嗝嬷皇芩挥绊憽Ｔ跍y(cè)速的同時(shí)測(cè)得水位，得到整個(gè)過水?dāng)嗝婷娣e和過水?dāng)嗝嫔系乃畬恿魉俜植?見圖)。計(jì)算出各層部分流量，從而得到整個(gè)斷面流量。Q=VA

25、SA+VBSB+VCSC+VDSD=∑viSi,4.特點(diǎn)和使用特點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，具有自動(dòng)測(cè)量的功能。 測(cè)量速度極快，可以進(jìn)行連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量，然后進(jìn)行平均，以消除偶然因素的影響。使用要求:(1)安裝探頭的河岸要求比較陡直穩(wěn)定，不易淤積；流速也不能過于紊亂，以免影響超聲波的傳輸和發(fā)射、接收；(2)安裝儀器的河段應(yīng)該比較順直，流向穩(wěn)定；(3)安裝在兩岸的換能器應(yīng)該相互對(duì)準(zhǔn)；(4)平均流向和超聲波傳播方向的夾角應(yīng)盡量控制在4