中國灌區協會「全國灌區量水技術研討班」教材
流速儀測流法
及水工建築物量水率定
郭宗信河北省石津灌區管理局
第一章流速儀測流法
第一節流速儀測流的基本方法
與測線布設
流速儀測量河渠流量是利用面積～流速法，即用流速儀分別測出若干部分面積的垂直於過水斷面的部分平均流速，然後乘以部分過水面積，求得部分流量，再計算其代數和得出斷面流量。
從水力學的紊流理論和流速分布理論可知，每條垂線上不同位置的流速大小不一，而且同乙個點的流速具有脈動現象。所以用流速儀測量流速，一般要測算出點流速的時間平均值和流速斷面的空間平均值。即通常說的測點時均流速、垂線平均流速和部分平均流速。
（一）基本方法
流速儀測流，在不同情況或要求下，可採用不同的方法。其基本方法，根據精度及操作繁簡的差別分為精測法、常測法和簡測法。
1.精測法：
精測法是在斷面上用較多的垂線，在垂線上用較多的測點，而且測點流速要用消除脈動影響的測量方法。用以研究各級水位下測流斷面的水流規律，為精簡測流工作提供依據。
2.常測法：
常測法是在保證一定精度的前提下，在較少的垂線、測點上測速的一種方法。此法一般以精測資料為依據，經過精簡分析，精度達到要求時，即可作為經常性的測流方法。
3.簡測法：
在保證一定精度的前提下，經過精簡分析，用盡可能少的垂線、測點測速的方法叫簡測法。在水流平緩，斷面穩定的渠道上可選用單線法。
（二）測線布設
測流斷面上測深、測速垂線的數目和位置，直接影響過水斷面積和部分平均流速測量精度。因此在擬訂測線布設方案時要進行周密的調查研究。
國際標準規定，在比較規則整齊的渠床斷面上，任意兩條測深垂線的間距，一般不大於渠寬的1/5，在形狀不規則的斷面上其間距不得大於渠寬的1/20。測深垂線應分布均勻，能控制渠床變化的主要轉折點。一般渠岸坡腳處、水深最大點、渠底起伏轉折點等都應設定測深垂線。
測速垂線的數目與過水斷面的寬深比有關。精測法的測速垂線數目與寬深比的關係式為：
n0=2
式中：n0——測速垂線數目；
b——水面寬；
——斷面平均水深。
常測法的垂線數目與寬深比的關係式為：
n0=簡測法的測速垂線數目及其布置，應通過精簡分析確定。主流擺動劇烈或渠床不穩的測站，垂線不宜過少，垂線位置應優先分布在主流上。垂線較少時，應盡量避免水流不平穩和紊動大的岸邊或者回流區附近。
由於灌溉渠道的斷面一般都比較規則，有些測站修建了標準斷面，故可將測深垂線與測速垂線合併起來。即在測線處既測深又測速。
根據實際情況，垂線可等距離或不等距離地布設。若過水斷面對稱、水流對稱，則垂線應盡量對稱布設。表1給出了平整斷面上測線布設標準，供實際工作中參考。
表1 平整斷面上不同水面寬的測線布設
第二節斷面測量與流速測量
（一）斷面測量
斷面測量包括測線間距（部分寬）測量和水深測量。在測橋上測流時測線間距一般在布置測線時設定固定標誌，其間距均事先測出，測流時只需測量水邊寬度。纜道測流時，測線間距是由迴圈索控制，水文絞車計數器顯示的，因此計數器的讀數與迴圈索的行進距離之間的比例應率定準確。
水深測量多用懸索或測稈直接觀讀，用懸索測深時，由於水流的衝擊作用，入水後懸索向下游偏斜，一般偏角不大時，將溼繩長度視為水深，若偏角大於10°時則需修正溼繩長度後才得水深值。
用測稈測深時，往往有壅水現象，因此要修正壅水影響的水深誤差。即在觀讀水深時，減去壅水高度。在混凝土襯砌的斷面上測流，水深測量應注意測稈底盤下面一段尖端的高度，根據分化刻度的起始位置，進行相應的處理。
無論使用何種測具測量水深，測量時都應保持垂直狀態。
在襯砌的標準測流斷面上，若斷面無淤積，水流穩定時，可以設定固定水尺，用水準儀測出水尺零點與各測線處渠底的高差，就得到每條測線處的實際水深值。即：
hj=h±δhj
式中： hj——第h條垂線處的實際水深；
h——水尺讀數；
hj——第j條垂線處渠底與水尺零點的高差。
（二）流速測量
測量垂線平均流速的方法，通常有積深法和積點法。積深法的垂線平均流速計算公式為：
vm=vdy
式中： vm——垂線平均流速；
d——垂線水深；
v——垂線上任一深度y處的流速。
積深法屬於垂直方向的積分法，從理論上講，在不考慮其它影響因素時，此法具有較高的精度。然而，最常用的是積點法。積點法是在垂線上按一定規律布置有限的測點施測點流，根據測得的各點流速，推算垂線平均流速。
流速在垂線上的分布規律，對於明渠流，一般採用普朗德—卡門對數模式：
vη=vm（1.116+0.267lgη）
式中：η——相對水深，η=y/d，y為自渠底算起的測點深；
vm——垂線上相對水深η處的流速；
vm——垂線平均流速。
以vm=1，並以不同的η值代入上式可求得垂線上的相對水深與流速的關係。如表2。
表2 當vm=1時，η與v的關係
根據垂線流速分布規律，施測垂線上若干個有代表性的測點流速，即可推算出垂線平均流速。
積點法的測速方法一般有以下幾種：
1.一點法：施測垂線上乙個點的流速，代表垂線的平均流速。
測點設在自水面向下計算垂線水深的十分之六處（即0.6d）。將流速儀懸吊在該點，實測的流速就是這條垂線的垂線平均流速：
vm=v0.6
2.二點法：測速點設在水面以下0.2及0.8相對水深處，兩點的測點流速的平均值即為垂線平均流速：
vm=3.三點法：測速點設在水面下0.2、0.6、0.8相對水深處，三個測點流速的平均值或加權平均值即為垂線平均流速：
vm=或：
vm=4.五點法：測點設在水面（在水面以下5cm左右處施測，以不露儀器的旋轉部件為準）0.
2、0.6、0.8相對水深處及渠底（離開渠底2～5cm）。
各測點流速的加權平均值即為垂線平均流速：
vm=施測中，具體採用幾點法，要根據垂線水深來確定。一般地說多點法較少點法更精確一些，但垂線上流速測點的間距，不宜小於流速儀旋槳或旋杯的直徑。為了克服流速脈動的影響，每個測點的測速歷時均應在100秒以上。
表3給出了不同水深測速方法的選擇參考標準。
表3 不同水深的測速方法
第三節斷面流量計算
斷面流量計算一般採用平均分割法。計算步驟如下：
1.計算測點流速：根據施測記錄的轉數和歷時，按流速公式v=kn+c，計算測點流速；
2.計算垂線平均流速：根據實測情況，按垂線平均流速的計算方法，求出各測線的垂線平均流速：vm1、vm2……vm（n-1）；
3.計算部分平均流速：部分平均流速就是相鄰兩條測線的垂線平均流速的平均值：
v2=（vm1+vm2）
v3=（vm2+vm3）
水邊部分平均流速（v1或vn），等於近岸測線的垂線平均流速（vm1或vm（n-1））乘以岸邊流速係數α：
v1=αvm1
vn=αvm（n-1）
岸邊流速係數α，與渠道的斷面形狀、渠岸的糙率、水流條件等有關。合理地選取α值，對提高流量施測精度有顯著影響。α值可以通過實測確定。
4.計算部分面積：部分面積由相鄰的兩條測線處的水深的平均值乘以測線間距而得，如圖1中：
f2=（d1+d2）b2
f3=（d2+d3）b3
兩水邊部分面積為：
f1=d1b1
fn=dn-1bn
5.計算部分流量：由每塊部分面積乘以該面積上對應的部分平均流速即得部分流量。設各個部分流量為：q1、q2、q3……qn，則：
q1=v1×f1
q2= v2×f2
q3=v3×f3
… … …
qn = vn×fn
6.計算斷面流量：各個部分流量之和即為斷面流量（q）：
q=流量實測的記錄計算**形式如表4。
表4測流記載及計算表
校核計算：
第四節流速儀測量方法的精簡分析
（一）常測法的精簡分析
1.用精測資料精簡分析
根據精測資料，選取一部分測線、測點，縮短測點測速歷時，重新計算斷面流量，求出與精測流量之間的隨機誤差和系統誤差，如各項誤差符合表5的要求，精簡方案即可用作常測法。
表5 常測法的誤差界限
分析步驟如下：
（1）繪製流速橫向分布圖。根據流速橫向分布情況，合理地選擇布設垂線，使精簡垂線後，流速橫向分布能基本上維持原形；
（2）繪製流速垂直分布圖。根據流速垂線分布情況擬定測點精簡方案；
（3）根據上述初步選定的測線測點，用少數精測資料，進行精簡前後單寬流量計算，並繪出單寬流量橫向分布圖，比較不同精簡方案的這種圖形，選擇流量誤差小者，進行全面的精簡分析計算；
（4）將所有精測資料，按擬定的幾種精簡方案，重新計算斷面流量。然後將每乙個精簡方案的流量成果與精測法流量成果比較，進行誤差分析。按規範標準（見表5）確定合理方案。
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