水文测验学（第三章）

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1、水文测验 Hydrometry,第三章 流量测验 （ Water flow Measurement）,内容提纲,流量测验方法分类 断面测量 流速仪测流 其他方法的流量测验,第三章 流量测验 （ Water flow Measurement）,第一节 流量测验方法和流速分布 （ Water Flow Distribution and Its Test Methods）,一、流量测验方法,流速面积法 通过实测断面上的流速和过水断面面积来推求流量。流速仪测流法;比降法;浮标测流法;遥感测流法;航空摄影测流法,比降法测流：根据实测水面比降和河槽断面资料来计算测速的流量测验。水面比降是河段水面落差与河段

2、长度之比，计算流速常用曼宁公式，平均流速与断面面积之乘积即为流量。此法精度较差，只在不能使用流速仪法、浮标时使用，或仅作为一种辅助方法使用。,曼宁公式,V流速 K常数 N糙率 Rh水力半径 S坡度,浮标测流法：以浮标流速乘以浮标系数等于水流速，流速乘以面积为流量。 缺点：由于浮标不一定按直线流动且受天气影响较大，所测结果较为粗略。,航空摄影法：利用航空摄影的方法对投入河流中的专用浮标、浮标组或染料等，连续拍照，根据航测照片来确定断面流量。 优点: 不受河宽和测量范围的限制，应用范围较广。 原理: 利用航空摄影测定水面流速，借以推算流量。,水力学法 通过测量水工建筑物的水力因素，代入相应的水力学

3、公式算出流量（如：量水建筑物测流，量水槽、量水堰）。 适用条件：用于小流量测定,物理法 利用某种物理量在水中的变化来测定流速，并推算流量。 超声波法：通过测定超声波在水流中的传播时间来测定水流速度，并结合断面资料来推求流量的方法。 电磁法：利用电磁感应原理，根据水流切割磁场所产生的感应电势与水流速度成正比的关系来测定流速，并结合断面资料来推求流量的方法。 光学法:利用光学原理研制的流速仪。,化学法 在测验河段上游施放一种已知浓度的化学指示剂，水中的紊动作用能够使之在水中稀释扩散并充分混合，其稀释的浓度依据质量守恒定律与水流的流量成反比。测出下游充分混合后的化学指示剂浓度，即可计算出流量。,直接

4、法 包括容积法和重量法，适用于流量极小的山涧小沟和实验室模型测流。,二、流速脉动和流速分布,第一节 流量测验方法和流速分布 （ Water Flow Distribution and Its Test Methods）,流速脉动：河槽中水质点的流速，不论其大小、方向都随时间不断变化的现象。 影响因素：河道断面形状、坡度、糙率、水深、弯道,河道中流速分布,垂线上的流速分布特征（流速沿水深的变化） 一般水面的流速大于河底，且曲线呈一定形状。 封冻的河流或受潮汐影响的河流，其曲线呈特殊的形状。 由于影响流速曲线形状的因素很多（糙率、冰冻、水草、风、水深等），致使垂线流速分布曲线的形状多种多样。,与实

5、际流速分布特征比较接近的线形： 抛物线形流速分布曲线、对数流速分布曲线、椭圆流速分布曲线。,断面的流速分布 影响因素：断面形状、糙率、冰冻、水草、河流弯曲形势、水深等。 特征：河底与岸边附近流速最小；,畅流期,冰面下流速、近两岸边的流速小于中泓; 中泓线：河流各横断面表面最大流速点的连线。 垂线平均流速沿河宽的变化与断面形状有关。,三、流量模,流量模：单位时间内，通过过水断面的水的体积。 部分流量：单位时间内，水流通过某一部分河宽过水面积上的水流体积。,单宽流量：单位时间，水流通过某一单位河宽过水面积上的体积。 单深流量：单位时间，水流通过以某一深度为中心的单位水深过水面积上的体积。 单位流量

6、：单位时间，水流通过某一单位过水面积上的体积。,第二节 河道断面测量 （ River Section Survey ）,断面:垂直于河道或水流方向的截面称之横断面，简称断面。 河床线:断面与河床的交线。 水道断面:指水位线以下与河床线之间所包围的面积, 称为水道断面，它随着水位的变化而变动。 大断面:历史最高洪水位与河床线之间所包围的面积。它包括水上部分和水下部分。,一、断面测量内容和基本要求,第二节 河道断面测量 （ River Section Survey ）,断面测量内容,测定河床各点的起点距及其高程。 测定水上部分各点高程 测定水下各点的水深 测定水下各点的水位,断面测量要求,测量范围

7、 大断面测量测至历史最高洪水位以上0.51.0m；漫滩较远的河流，测至洪水边界；有堤防的河流，应测至堤防背河侧地面为止。 测量时间 大断面测量宜在枯水期单独进行；水道断面测量与流量测验同时进行。,测量次数 新设测站的基本水尺断面、测流断面、浮标断面、比降断面，均应进行大断面测量。 断面设立后，对于河床稳定的测站，每年汛期前复测1次；对河床不稳定的站，除每年汛前、汛后施测外，每次较大洪峰后加测，以了解和掌握断面冲淤变化过程 。 精度要求 大断面岸上部分采用四等水准测量。施测前应清除影响测量的杂草及障碍物。,二、水深测量,第二节 河道断面测量 （ River Section Survey ）,（一

8、）测深垂线的布设,垂线的布设原则测深垂线的位置和数目，应能控制河床变化的转折点，主槽部分较滩地为密。,测深垂线数目的规定,大断面测量最少测深垂线数目,窄深河道：水面宽与平均水深比值小于100 宽浅河道：水面宽与平均水深比值大于100,测深垂线对断面测量精度的影响,垂线数量对断面测量精度的影响 在相同的断面平均水深下，相对误差随着测深垂线的增加而逐渐减少； 在垂线较少时，减少垂线数量，误差会显著增加；垂线增加到一定的数量，在增加精度不会有大的变化。 垂线位置对断面精度的影响 垂线位置应能较好的控制河床变化的转折点。,（二）水深测量方法,1.测深杆、测深锤测深,测深杆测深：用刻有读数标志，下端装有

9、1个圆盘的测杆垂直放入水中进行直接测深。 适用条件：水深较浅，流速较小的河流。,测深锤测深：用测深锤上系有读数标志的测绳放入水中进行测深。 适用条件：水库或水深较大但流速较小的河流。,用悬索（钢丝绳）悬吊铅鱼，测定铅鱼自水面下放至河底时，绳索放出的长度。 适用条件：水深流急的河流，应用范围广泛。,2. 悬索测深,3. 超声波测深仪测深,利用超声波在不同介质的定向反射特性，从水面向河底发射一束超声波，声波即通过水体传播至河底，并以相同时间和路线返回水面。,三、起点距测定,第二节 河道断面测量 （ River Section Survey ）,起点距：是指测验断面上的固定起始点（一般为设在岸上的断

10、面桩）至某一垂线的水平距离。,测量方法: 直接量距法 平面交会法 极坐标交会法 GPS定位法 断面索法 计数器法,平面交会法,把经纬仪架设在岸上基线的端点位置，测量与断面上各测深垂线的水平夹角，用三角公式计算起点距。根据基线与断面线是否垂直，可分为两种计算公式。,极坐标交会法,利用极坐标与直角坐标互换原理,测定任何一点的位置。,GPS定位法（ Global Positioning System ）,断面索法,利用架设在横断面上的钢丝缆索，在缆索上系有起点距标志，可直接在断面索上读取垂线起点距。适用于河面不宽的河道。,四、断面资料的整理和计算,第二节 河道断面测量 （ River Section

11、 Survey ）,断面资料整理和计算内容 检查测深与起点距垂线数目及编号是否相符 测量时的水位及附属项目是否填写齐全 测深偏角是否需要改正 计算各点河底高程并绘制断面图 计算过水断面面积,检查测深与起点距垂线数目及编号是否相符,测深偏角改正,偏角误差：当悬索、铅鱼收到水流的冲击力作用而偏斜时，所测水深系统偏大，其偏大值随着悬索偏角的增大而增大。 偏角改正包括湿绳改正和干绳改正,计算河底高程及绘制断面图,测深垂线河底高程 各测深垂线的水位减去各垂线的水深值，即得各测深垂线河底高程。 绘制断面图 以垂线起点距为横坐标，河底高程为纵坐标，取适当比例绘制水道断面和大断面图。,某水文站流速仪测流断面图

12、,断面面积的计算,水道断面面积计算 以测深垂线为界，分别计算出每一部分面积，其中两岸边的部分面积按三角形面积计算，中间部分按梯形面积计算。各部分面积的总和即为水道断面面积。,大断面计算 大断面计算的作用：计算各水位级的平均水深、湿周、水力半径。 计算原则：按水平分层计算。 方法：分析法和图解法,分析法步骤 在大断面图上，以河床最低点分界，画一垂线，将断面划分为左、右2部分。 将断面按水位分成若干级（0.5m或1.0m为一级）。 分别计算左右两边各分级水位所增加的水面宽,分析法步骤 累加各分级水位所增水面宽，得到各级水位的水面宽；再按梯形计算相邻分级水位面积。 逐级累加得到各级水位的断面面积，绘

13、制水位面积关系曲线。 计算湿周和水力半径。 图解法水面宽采用左右岸起点距之差计算，其他步骤同分析法。,第三节 流速仪测流 （ Water Flow Measurement by Hydrometric Propeller）,一、流速仪,转子式: 旋浆式 旋杯式 非转子式: 超声波流速仪 电子流速仪,转子式流速仪,目前我国使用最多的是LS68-2型旋杯式流速仪和LS25-1型旋桨式流速仪。,主要构件： 感应流速的旋转器、记录器、尾翼。 测速范围： 旋杯式流速仪：0.2 3.5 m/s，适合含沙量较少的河流。 旋浆式流速仪：0.04 10 m/s ，适合多沙的河流。,工作原理： 流速仪转子的转速n

14、与流速v存在一定的函数关系，而且其关系相当稳定。利用这一关系，测得转子的转速，就可计算出水流的流速。 测速原理： K仪器率定常数 C摩阻系数 N总转数 T测速时间,超声波流速仪（时差法）,测量原理 超声波在静水中以恒定的速度C传播。在有流速v的水中，顺流传播时，传播速度就应是C+V；逆流传播时，传播速度应是C-V。若测得逆流与顺流超声波的传播时间，即可求得流速。,流速计算: 在河道两岸安装一对超声波换能器，声信号从A器发射，由B能器接收，所需传播时间为T1 ， 相反，从B换能器发射，由A换能器接收，所需的传播时间为T2。,换能器安装固定后，L和是常数。,第三节 流速仪测流 （ Water Fl

15、ow Measurement by Hydrometric Propeller）,二、流速仪法测流,（一）测流原理,河流横断面上的流速分布不均匀，全断面的流量可用积分法求得：,（二）测速方法,用流速仪测流时，必须在断面上布设测速垂线和测速点，以测量断面面积和流速。,测速方法分类： 根据布设垂线、测点的多少繁简程度可分为精测法、常测法和简测法。 根据测速方法的不同可分为积点法和积深法。,积点法:在断面的各条测速垂线上将流速仪放在许多不同的水深点处逐点测速，然后计算流速、流量。 积深法:流速仪不停留在某点上测速，而是流速仪沿垂线均匀升降而测得流速。该方法可直接测得垂线平均流速，是简捷的测速方法，故

16、常测法、简测法测流时，可用该法测速（适用于水深大于1m和旋浆式流速仪测流）。,测速垂线和测速点的布设,我国精测法、常测法最少测速垂线数目, 测速垂线上测速点的布置，常有一点式，二点式 ，三点式和五点式。,垂线平均流速,测流历时,流速脉动对测流误差的影响 流速脉动相对误差河底大于水面。 流速脉动产生的测速误差，随着测速历时的减少而逐渐加大，历时越短，误差的递增率越大。 流速脉动影响的测速误差是偶然误差，测速点多，可相互抵消一部分。,测流历时要求： 用常测法测流，要求每一测速点的测速历时一般不短于100秒，其流速相对误差一般可控制在4%以内。 用简测法测流，特殊水情时测速历时可缩短至50秒，其断面

17、流量相对误差（100秒为准）一般可控制在1.5%以内。 为保证精度，任何情况下测速历时不应低于20秒。,流向测量： 测流量的作用确定河道测流断面需要，研究水工建筑物布置及河道冲淤变化需要。 要求：对于新设水文站，先测定各垂线流向，求断面合成流向，确定的测流断面应垂直于断面合成流向。 对于有斜流或流向变化较大的河流，应对实测流速加以修正，获得垂直于过水断面的流速和流量。,流量计算方法,流量计算方法有分析法、图解法和流速等值线法。 图解法和流速等值线法适用于多线多点的测流，分析法适用于各种方法的测流。,分析法流量计算步骤,垂线平均流速的计算,部分平均流速的计算, 中间部分面积上的平均流速计算：,

18、靠岸边部分面积上的平均流速计算：,式中， Vm1 靠岸边第一条测线的平均流速, 岸边流速系数:,斜坡岸， =0.7 陡坡岸， =0.8 光滑坡岸， =0.9 死水边， =0.6,部分面积的计算, 中间部分面积按梯形面积公式计算：, 岸边的部分面积按三角形面积计算：,部分流量的计算,部分流量=部分面积部分平均流速,断面流量和平均流速的计算,过水断面流量的计算：,式中， Wi 断面上的部分面积(m2),部分面积上的平均流速(m/s),过水断面平均流速的计算：,式中， W过水断面总面积(m2),习题,某河某站横断面如图所示，根据图中所给测流资料计算该站流量和断面平均流速。测线水深h1=1.5m，h2

19、=0.5m，V0.2，V0.6，V0.8分别表示测线在0.2h，0.6h，0.8h处的测点流速，左，右，分别表示左右岸的岸边系数。,图解法步骤,计算测点流速。 计算各垂线的河底高程，在方格纸上绘制断面图,绘制各测速垂线的垂直流速分布曲线，用数方格法量出各垂直流速分布曲线与纵坐标包围面积，经比例换算，得到垂线流量，除以水深得到垂线平均流速。,在横断面图的上方绘制垂线流量和流速的横向分布曲线，用数方格法量出流量的横向分布曲线与水面线所包围面积，经比例换算，得到断面流量。,用数方格法量出河床线与水面线包围面积，经比例尺换算得到断面面积，断面平均流速为断面流量除以断面面积。,流速等值线法步骤,根据各垂

20、线实测各点流速值，绘制断面流速分布图，即绘制等流速曲线。 从最大流速开始，绘制每条等流速曲线与水面线包围面积。,以纵坐标表示流速，横坐标表示各流速曲线包围面积，绘制流速面积曲线，断面流量为：,相应水位计算,相应水位是在水位-流量关系图上，与实测流量相对应的某一瞬时水位。 计算方法：算术平均法、 加权法及部分流量加权法,第四节 其他方法测流 （ Water Flow Measurement by Other Methods ）,一、浮标测流,原理:观测浮标漂移速度，测量水道横断面，来推算断面流量。 适用条件：流速仪测流困难地区或超出流速仪测速范围的情况。,注意事项: 浮标测的断面流量为虚流量Qf

21、. 虚流量：由最大流速计算出的流量 实际的断面流量Q=Kf*Qf 浮标系数Kf取值: 一般湿润地区可取0.850.90； 干旱地区大、中河流可取0.800.85,浮标测流计算步骤,绘制相应水位下的横断面图 计算各浮标的虚流速 绘制虚流速横向分布曲线。,计算两测深垂线间的部分面积和部分平均虚流速，计算部分虚流量，进而计算全断面虚流量。 断面流量为断面虚流量乘以浮标系数。,二、航空摄影测流法,第四节 其他方法测流 （ Water Flow Measurement by Other Methods ）,步骤： 根据河宽和天气情况选择照片比例，向测验河段投放浮标。 在一定时段内对浮标摄影2次，根据照片

22、上浮标移动距离和时间，求水面流速。,利用测得的水面流速计算单宽虚流量，再计算断面虚流量，最后计算断面流量。,三、量水建筑物测流,组成：进水段、出水段、喉道。测流范围：0.006-90 m3/s 原理：水流经过量水槽在喉道以上产生降落和雍水现象；出喉道后水面下降，上、下游间有明显的水位差，根据水位、喉道宽度代入公式求出流量。,量水槽（巴歇尔水槽）,量水堰(薄壁堰）,组成：溢流堰板、堰前引水渠、护底。测流范围：0.0001-1.0 m3/s; 试验中测定小流量的装置。 堰形分类：三角形堰、矩形堰,矩形堰流量公式,三角形堰流量公式,三角形堰顶角,课程小结,掌握断面测量方法 掌握流速测量方法,1、断面测量步骤及注意事项 2、流速仪测流步骤及注意事项,思考题与作业,