灌区渠道测流技术

目录一、渠道及流态二、渠道测流方法三、渠道测流设备四、设备的选型及安装维护1.选型2.选址3.安装4.维护五、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.率定结果处理六、测流设备的测量精度提高七、在线测流系统的一般结构及组成八、相关规范标准九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水一、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。二、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。三、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：①固定ADCP法（横向发射）②多普勒走航式明渠流量计③时差法明渠流量计④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②、④需要人工辅助测量，不能在线自动监测；①、③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)/AVi: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ADCP5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ADCP1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