浅谈河渠流量测验方法 - 垂线声学多普勒流速仪

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概述

      根据2013年最新版的《水文测验实用手册》流量测验相关内容流量测验等参考资料，按测流原理方法分为流速面积法、水力学法、溶液法、直接测量法四种类型。

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      河渠流量测验的具体实施非常复杂，所以在上述四种测流方法类型中，又包含多种实施方法：

流速仪法：它是流速——面积法的另一种叫法，其中有涉水、缆道、船上、桥上测流法，声学时差法，电波流速仪法，电磁流速仪测流法，多普勒流速仪测流法等。

水力学法：有堰、闸、涵、槽水工建筑物测流法和一些专用量水堰槽，如巴歇尔槽、专用量水薄壁堰、宽顶堰、三角堰等，还有电站出流、泵站抽水测流方法等也是常为推荐的测流方法类型。

溶液法：用化学溶液稀释法测定流量，适用于横断面难测的山区小沟。

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容积法：直接测量流量的方法。

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常用测流方法

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缆道自动测流

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      缆道测流是适合我国国情的一种测流方式，经 50多年发展，技术设备较为成熟，其中全自动缆道测流系统测流精度可达到95～98％。

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      该方法由人工一次性启动缆道测流装置后，可自动测量全断面测点流速和垂线水深，并自动计算出断面面积和流量。

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      由于缆道测流的测量精度较高，且不需要进行率定，在系统工程中主要是用于不规则断面的流量测量，实现对主要测流断面的流量控制。

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优点：

      1）缆道测流精度较高

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缺点：

     1）需要架设过河缆道，施工量大，造价高；

      2）测流周期较长。

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超声波时差法测流

      超声波时差法测量流速国内外均有定型产品用于管道和渠道，但国内没有定型生产用于天然河流的产品。

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      本方法能方便地解决断面不同水层的平均流速测量，充分利用电脑技术将超声波时差法测流、超声或压力水位计和预置河床断面等技术集于一体后，可构建实时在线的流量测量系统。

      该方法适用于断面较稳定，有一定水深的河道，还需要借用断面面积参数（另用人工方法测量）和用流速仪等标准测流设备标定流量计算模型后，才能正常启用，其建站总投资大于缆道测流站。

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      超声波时差法自动测流站工作原理为：

      在测量断面上设置单层或多层超声波换能器斜交叉布置在河两岸，超声波换能器由二次仪表控制，从河道的一岸顺流发射超声波，另一岸接收，然后再反向进行工作，根据顺、逆流传输测到的时间差计算出相应水层的平均流速，另外一换能器向上发射超声波，遇到水面时反射再由同一换能器接收回波，根据时间差测出水深（也可选用压力水位计测量出水深）。

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      如果是规则断面则通过水位算出断面面积，通过流速积分和人工标定的流量系数可计算出流量，其流量精度可达5%以内。

      若为不规则断面则必须根据数据建立数学模型，根据测量数据计算流量或通过人为标定流量系数计算流量。

明渠安装实例

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优点：

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      1）仪器的最大特点是在线连续测量；

      2) 未来越来越多的大管径输水，时差法几乎是唯一适合的方式。

缺点：

      1）在断面较宽、水浅和含沙量较高的条件下无法使用；

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    2）由于换能器是安装在河的两岸，二次仪表只能放在某一岸，而另一岸的换能器信号线则必须从河底或高架过河。如果从河底过施工难度较大，无疑增加了工程量和投资；

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      3）易受行船影响、水中气泡影响，致使测流精度降低。

声学多普勒流速测流

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      声学多普勒流速测流是英文Acoustic Doppler Current Profilers 的简称，是利用声学多普勒原理进行研制的，是目前世界上最为先进的河流流速流量实时测量设备。

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      自1981 年在美国诞生以来，随着技术不断进步和日益完善，已从海洋测量逐步应用于河流流量测量，测量精度也得到很大的提高。

      从最初的盲区1 m 以上，降低到所谓的“零盲区”，剖面单元缩小到目前的0.05～0.25m ，使其在宽浅河流上的应用成为可能。

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      该种方法又分为2种，即走航式声学多普勒流速法和水平声学多普勒流速。

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（1）水平声学多普勒流速法

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      水平声学多普勒流速法主要由一到三个超声波探头组成，两束沿水平方向发射，利用多普勒原理测量本层水流某一段上各点的二维流速，另一束向上发射用来测量水深(可不用)。

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      其工作原理是一种将探头固定安装在水面下某一水深处使用的仪器，使探头上的两个声学传感器位于同一平面上，两个超声波传感器成一定角度向对岸发射，超声波遇到水中的气泡杂质等其频率发生变化，根据频率大小计算出本层水流某一段上各点的二维流速；另一束超声波向上发射，遇到水面反射测得水深。

      根据预先建立的数学模型得到断面平均流速，再根据河道的实际过流面积计算出流量值。

      如果断面是规则不变，利用流速面积法积分得到流量精度可达5%以内。如果是不规则断面则主要取决于建立数学模型的精度或取决于率定的精度。

优点：

      1）适用于天然河道、人工渠道；

      2）该仪器采用最新的声学多普勒技术，具有结构简单，安装方便（所有设备集中在河流一边）。

缺点：

      1）但水位测量有误差；

      2）有一定水深保证。

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（2）走航式声学多普勒流速测流法

      走航式声学多普勒流速测流法是一种需渡河载体（如小船）的游动式测流设备，因为它一次能同时测出河床的断面形状、水深、流速和流量，适用于大江大河的流量监测。

      该流量计的主机和换能器装在一防水容器内，工作时全部浸入水中，通过防水电缆与便携式计算机相连，流量计的操作控制在便携式计算机上进行。

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      全套系统由蓄电池供电，也可以用交流供电，流量计的换能器一般由3个或4个发射头构成，它们可以向水下发射在空间互成一定角度的3束或4束超声波(4束超声波最佳)，这些超声波在由水面射向河底的穿行过程中不断地经水中的固体颗粒、气泡和河底反射回来。

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      根据这些返回信号的频率可以测出流量计和各水层以及河底的相对位移速度，其中流量计与河底的相对速度即是船速，扣除船速便可以求取各层水流对河底的流速。

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      根据河底返回速度分量结合测得的船行方位便可求取水流的真实方向。

      根据河底返回信号的时间测出水深。

     流量计由河这岸向对岸穿行测量一次，便可测出经过各点的水深以及流速的大小和方向，将流速矢量对河床水流断面进行积分，便得到了河床流量。

      因为采用的是矢量积分，所以所测流量的大小与流量计渡河路径无关。

水工建筑物（涵闸）流量测量

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      根据闸门上下游水位及闸门开度，通过通过水位、闸位、流量关系曲线求出对应的过水流量。

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      其优点是只要准确地测量出上下游水位及闸门开度，即可换算出过流量，但不足之处是需人工进行标定，确定经验公式的相关系数。

      典型的闸流流量公式：

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Q＝CBH03／2          

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     式中：C为流量系数，B为过水总净宽，H0为上游水头

      典型的孔流流量公式：

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             Q＝MA√Z    

      式中：A为过流断面，Z为上下游水位差，M为综合流量系数

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      由于受水工建筑物的结构、闸门形状和下游出水口的流态等多种因素影响，流量系数不易准确确定，需要通过人工测量来确定流量关系曲线，测量精度不高。

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比降法

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      通过测量河流上一段距离的上下游水位及水面坡度，设定的河流的糙率系数，根据曼宁经验公式推算流量。当测流河道的水流不是自由流，水位受上下游水工建筑物的影响较大时就无法推算流量。另外，此方法精度不高，在比降不大的河段更是不准确。

电波流速仪法

      通过测量河流几点水表面流速，再由水表面流速推算河道流量。此方法精度不高，受外界因素影响较大，如刮风，下雨等。

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