清华大学水文信息技术第四章+流量测验课件.ppt

1,水文信息技术,Hydrologic information technology,2,本章内容,断面测量,流速仪,流速脉动、流速分布,流速仪法测流,第四章 流量测验,3,第一节 概述,意义,一、测流意义、目的,目的,流量数值是各种水工建筑物的规划、设计和管理的重要依据。,流量是江河、湖泊、水库等水体的重要水文特征值，它决定水资源利用的可能性。,如城市给水、排水、航运、引水和分流等措施都需要流量资料。,4,二、测流方法 flow measurement method,流速面积法；水力学方法；物理法；化学法； 直接法。,1、流速面积法 velocity area method,原理,种类,流速仪法；浮标法；比降面积法等。,特点,基本方法，准确、可靠。,5,流速仪法 current-meter method,使用流速仪测量断面上多点的流速，再配合断面面积测量，计算流量。,6,浮标法 float method,利用浮标测量断面流速，再配合断面面积测量，计算流量。,7,比降面积法 slope area method,测量水面比降，再配合面积测量以及糙率资料，计算流量。,比降,糙率,8,2、水力学方法 hydraulic method,依靠专门修建的量水建筑物或现成的水工建筑物，测量水头、断面等水力因素，再用水力学公式计算流量。,3、物理法 physical method,如，超声波法；电磁法；光学法。,特点：快速、连续、自动化程度高。,9,4、化学法（或稀释法）chemical method,5、直接法 direct method,如，容积法；称重法,特点：适应面窄。,在河段上游投入的示踪剂，随水流经过一定流程后在水中稀释、混匀，但总量不变。,常用的示踪剂：化学盐类、荧光染料、同位素等。,10,三、测站精度类别及测验方式,1、测站精度类别,一类站：干流水文站（大河控制站）。,二类站：区域代表站。,三类站：小河站。,表 4-1。,2、水位级划分,水位级：高、中、低、枯水期。,11,水位级的划分采用水文频率计算方法：,对一类站，采用年特征值法。,用测站各年瞬时最高水位进行频率计算，得90% 频率相应的水位作为高水位 。,用测站各年瞬时最低水位进行频率计算，得10% 频率相应的水位作为低水位 。,水位级关系到测流的方法、测次等。,用测站各年平均水位进行频率计算，得50% 频率相应的水位作为中水位 。,12,对二类、三类站，采用典型年法。,用测站各年汛期总水量进行频率计算，求10% 、50% 、90% 频率相应的年份为丰、平、枯三个典型年。,分别用丰、平、枯三个典型年汛期逐日最高水位进行频率计算，依次求10% 、50% 、90%频率相应的水位作为高、中、低水位 、 。,13,用上述高、中、低水位划分水位级，得到测站水情的4个时期（表4-2）。,14,3、测次的布置,丰、平、枯均有测次；,ZQ关系转折点处有测点；,ZQ关系稳定期少测，紊乱期多测；,高、低水之间测次均匀。,15,4、测流方法选用原则,精度要求；,测流安全 ；,经济、方便。,16,习题13,1、测流的五类方法 。,2、流速面积法的原理、特点、种类。,17,第二节 断面测量,断面测量包括水道断面（channel cross-section ）测量、大断面（possible maximum cross-section ）测量。,1、大断面测量,一、概述,大断面：历年最高洪水位以上0.5m1.0m的水位以下的范围。,大断面测量包括水下和水上部分的测量。,18,水上部分应测至历年最高洪水位以上0.5m1.0m 。,对于漫滩大的河流，可只测至洪水边；,有堤防的河流，应测至堤防背河侧的地面；,无堤防而洪水漫溢至与河流平行的铁路、公路、围圩时，测至其外侧。,19,大断面测量时，水下部分测深垂线数目应满足下表规定。,20,大断面水下部分测深垂线数布设还应符合下列要求：,新设站或者河床转折变化复杂的站测深垂线数适当增加。,分布大致均匀，主槽陡岸边、急剧转折部位适当加密；,断面最深点应布设垂线；,串沟和独股水流的测深垂线不少于表中要求的一半；,21,2、起点距测量,起点桩一般设在左岸。若在右岸，应注明。,起点距：断面上某点到起点桩的距离。,22,起点距的测量方法：,直接量距,适用于水深小、流速小、断面宽较小的河道。,23,涉水测流,wading stream gauging,24,水文缆道,断面索直接观读,适用于水深大、流速大、断面宽较大的河道。,25,水文缆道,26,全自动缆道设备,27,SXH-1缆道智能测距仪,由智能缆道测距仪和光栅增量编码传感器等部分组成。,可实现对测流铅鱼的出车、回车、下降、提升的位置测量、显示，具有缆道弧度自动修正和测点自动停车、信号输出等功能。配接相关通讯结口，可与计算机联机运行。,28,仪器（经纬仪、平板仪、六分仪）测角交会法,29,视距仪、定位系统装置测定,无线电定位法 radiolocation method,在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统，即无线电定位法。,30,无线电定位原理：,31,利用双曲线相交测定位置的无线电系统。它由发射台（岸台,至少3个）和接收台（船台）组成。,几何原理是：到两个固定点距离差为常数的动点的轨迹，是以这两个固定点为焦点的双曲线。平面上两条双曲线就可确定一点。,32,GPS定位法,当断面特别宽（5000m以上）时，架设过河缆道已不可能，而使用六分仪及其它光学仪器时，若雾大、光线条件不好、断面间通视性不好时，为减小误差，宜用GPS定位法。,33,3、水深测量 depth measurement,水深测量的仪器：测深杆、测深锤、测深铅鱼、回深测深仪等。,测深杆（sounding rod）测深,测杆分为手持操纵和电动机械操纵两类。,34,手持操纵测杆有三种：,通用式（可单独测深，又可辅助测流）,单一测深式,涉水用测杆,水深不超过3m，流速不超过2m/s时。,水深不超过6m，流速不超过2m/s时。,适用于涉水测量的浅水河流。,35,测深锤（sounding weight）测深,测深锤重量510kg。根据水深、流速大小选用相应重量。,测深锤适用于流速不太大的情况。,36,铅鱼测深,缆道测流速和水深,sounding by elliptic-type weight,37,测船上使用手摇绞车测深,38,有缆道或水文绞车设备的测站，使用铅鱼测深。,铅鱼重量为100750公斤，根据水深和流速的大小来配置不同重量。,铅鱼测深方法：在铅鱼上装有浮子式水面信号和托板式河底信号发生器。铅鱼入水时，浮子浮起，发出水面信号，悬索记数器开始计数。达到河底时，铅鱼底部的托板托起，发出信号，记数器终止计数，得出悬索计数长度。当悬索偏角很小时，此值即为垂线水深。,39,如水面偏角 时，应对悬索计数长度进行偏角改正，求出垂线水深。,40,计数水深,实际水深,干绳改正数,湿绳改正数,缆索位移改正数,铅鱼下放至河底时的偏角,行车距离水面高差,铅鱼下放至河底时的偏角,41,干绳长度改正条件,42,回声测深仪,利用声波反射的信息测量水深的仪器。,当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，求出障碍物与换能器之间的距离。,超声波测深仪是其中的一类。,43,SSH型便携式超声波水深仪 ultrasonic sounder,测深时，将超声波换能器置于水面或一定位置。根据超声波在水中的声速和超声波发射到接收的时间，仪器自动换算出水深。,44,大断面测量记载表,水系 河 站大断面测量记载表,测量日期 天 气 断面名称 仪器型号,测 点,仪器 站号,距离m,后视 m,前视 m,间视 m,间距,起点距,高差 m,平均 高差,测深时 水位 m,水深 m,第一次,第二次,高 程 m,45,后视、前视、间视：水准尺读数。后视、前视的上下两栏为水准尺黑面、红面读数。,填表说明：,高差：后视减前视（或间视）。,平均高差：高差上下两栏的平均值。,水位变化小于5cm时，在同一岸观测始、终水位，取其平均值作为计算水位。,测深时水位：水准点高程加平均高差。,46,正常水面宽在5m以下时，起点距记0.01m， 5m以上记至0.1m。,采用测深杆、测深锤或铅鱼测水深时，应在垂线上测深两次，取其平均值作为实测水深。水深大于5m时，记至0.1m，水深小于5m时，记至0.01m 。,水位变化大于5cm时，应在各垂线测深时观测水位。计算各测点河底高程时，用相应观测的水位作计算水位。,47,水道断面测量记载表,水系 河 站水道断面测量记载表,角度,测深 时间,起 点 距,实际水深,悬索 偏角,一岸实 测水位,涨落改正,断面名称：,施测号数：,施测时间： 年 月 日 时 分至 时 分,施测方法：,测深,起点距,基线编号：,起点距计算公式：,风力：,风向：,水面情况：,水位：,左岸,右岸,始 终,计算水位,基面,垂线编号,测量,整理,平均,偏角改 正数,横比降改正数,应用水深,河底高程,48,横比降改正：横比降超过5cm时，填写该项。,填表说明：,悬索偏角：用铅鱼测深时，观测该项，偏角记至度。,角度：测量起点距时，仪器视线与基线的夹角。,实际水深：采用测深杆、测深锤或铅鱼测水深时，应在垂线上测深两次，取其平均值作为实测水深。,49,3、水道断面面积计算,左右岸边部分按三角形计算，中间部分按梯形计算。,由测深垂线将断面垂直分块。,50,4、大断面面积计算,采用水平分块方法，计算各水位下的面积。,51,习题13,1、大断面、大断面测量的内容。,2、起点距、起点距测量的方法。,3、水深测量常用的器具。,4、水深测量时，什么条件下考虑偏角改正？如何改正？,52,第三节 流速脉动、流速分布,一、流速脉动 velocity pulsation,流速脉动,紊流时，空间点的瞬时流速随时间随机变化的现象。,53,对稳定流，空间点的瞬时流速随时间变化，但在相当长的时间内，空间点的时间平均流速是稳定的。,脉动强度,反映空间点流速脉动强弱的量。,河道横断面脉动强度规律：,河底大于水面，岸边大于中泓。,54,二、断面流速分布 cross-section velocity distribution,流速分布：点流速在断面上的变化规律。,研究流速分布，对流量、泥沙的测量意义较大，也对分析河床演变具有意义。,55,1、垂线流速分布 vertical velocity distribution,垂线流速分布可用不同线型拟合。常用的线型：抛物线型、对数型、指数型等。,流速沿水深方向上的变化。,56,2、横断面的流速分布,河底、岸边流速小；,中泓流速最大；,畅流期，垂线上的最大流速出现在小于0.2倍水深处，冰期相对下移。,57,三、流向测量,1、流向 flow direction,断面上某点水流的运动方向与断面线的法线的夹角。,58,以下几种情况需要测定流向：,新设的水文站，在决定断面线前。,有斜流或流向变化较大时测流。,海洋或湖泊测流。,河流上建筑桥梁、研究治河建筑物对水流自然规律的影响、设计布置水工建筑物、研究河道冲淤及河床变形时。,59,2、流向资料的整编,垂线平均流向 mean flow direction at a vertical,垂线平均流向 的确定：,60,断面平均流向 mean flow direction at a cross-section,采用矢量合成法，确定断面平均流向。,断面平均流向,61,第四节 流速仪,流速仪类型：转子式、非转子式流速仪。,一、非转子式流速仪,超声波流速仪 ultrasonic current meter,电磁波流速仪 electromagnetic current mete,光学流速仪 optical current meter,电流波流速仪 electric wave current meter,62,SVR手持式雷达电波流速仪,主要用于野外巡测和洪水、溃坝、决口、截流、污水等应急测量，尤其适用于汛期抢测洪峰和突发情况下监测污染水。,依据的原理是多普勒效应。,63,监测人员运用电波流速仪测速,64,二、转子式流速仪 rotating-element current meter,旋杯式流速仪 cup-type current meter,旋浆式流速仪 propeller-type current-meter,两类转子式流速仪,65,1、原理,检定公式 calibration equation,起转流速,临界流速,参数,总转数,测速历时,转速,66,2、结构,转子、身架、尾翼、测杆或悬索、信号部分、铅鱼、记录装置。,通用智能流速计数器,67,3、流速仪性能,旋杯式流速仪的旋转阻力很小，低、中速时特性曲线的直线性能很好，但高速性能比旋桨式流速仪差。不宜多沙河流测流。,旋桨式流速仪适合在汛期高流速、高含沙量和有水草的恶劣条件下使用。,68,旋杯式流速仪的旋杯无方向性（感应的流速为水的实际流速），而旋桨式流速仪的旋桨有方向性（只能感应水的实际流速沿流速仪轴向上的分量） 。,当有斜流时，若采用悬索吊挂，因为有尾翼迎合水流方向，两种流速仪测得的流速相同；但采用悬杆吊挂时，尾翼不起作用，两种流速仪测得的流速不相同：旋杯式流速仪测得的流速较大，应进行偏角改正；旋桨式流速仪，则不需要进行偏角改正。,69,流速仪两种悬挂方式,70,偏角改正：,71,4、流速仪测速误差来源,检定误差 verification error,流速仪的检定：,在横断面均匀一致的直线静水槽中，以各种稳定速度牵引流速仪，测定检定车的速度和流速仪转子的转速，从这两组数据中，用方程式或图表建立相关关系。,72,检定误差：,流速仪检定水温一般为205 0C。,流速仪检定时采用悬杆悬挂。,由仪器检定环境同天然河流情况不同引起。如，水的流态、水质、水温、仪器悬挂方式等不同。,73,仪器性能误差,因转动惯性，仪器不能快速响应水流速变化；,转动过程中，摩擦影响低速性能；,多发或少发信号；,仪器定向偏差。,要求：浅水时，采用测杆悬挂；深水低速时，采用灵敏的转轴悬挂；深水高速时，采用万向接头和十字尾翼悬挂。,74,习题14,1、流速脉动及其特点。,2、断面流速分布及其特点。,3、垂线流速分布。,4、流向。如何确定断面平均流向？,5、流速仪的类型？,6、转子式流速仪的结构及其测速的原理式？,7、旋杯式流速仪与旋浆式流速仪测速性能比较。,8、转子式流速仪测速的误差来源。,75,第五节 流速仪法测流,一、测流原理,76,二、工作内容,水深、起点距、点流速、流向、水位等的测量。,77,三、流速测量,1、测速垂线布设,布设原则：控制流速、水深的横向转折变化，保证测速精度。,78,2、测速方法,根据垂线数目、测点多少分类,精测法,常测法,简测法,特殊水情下测流方法（洪水暴涨暴落，变动回水影响，流冰严重等）。,经常性测流方法。,多点多线，为积累资料。,79,根据测速方法不同分类,积点法 point-integrating method,积深法 depth-integrating method,流速仪在测速垂线上测定各测点流速，再计算垂线平均流速。,流速仪沿测速垂线匀速提放，测定垂线平均流速。,（用测船或缆道等拖带）流速仪匀速横渡测流断面，施测不同水层的平均流速。,积宽法 width-integrating method,80,3、测速历时 velocity measuring duration,综合考虑上述两点，合理选择测速历时：,一般情况下，每个测点的测速历时为100秒，特殊水情下，不应少于30秒。,测点流速脉动，要求测速历时相当长。,测点流速的变化，要求测速历时相对短。,81,四、流量计算,1、计算垂线平均流速（mean velocity at a vertical）,一点法：,（0.6为测点相对水深）,0.8,0.6,0.2,0.0,1.0,82,两点法：,三点法：,五点法：,83,2、计算部分平均流速,中间：,两边：,岸边流速系数:,光滑陡岸边取为0.9；,不平整的陡岸边取为0.8；,一般情况下，取为0.7；,死水边取为0.6。,84,3、断面流量计算,85,五、相应水位计算,1、相应水位 equivalent stage,与一次完整地测流过程计算出的流量相等的瞬时流量对应的水位。,2、计算方法,算术平均法,第 条垂线测速时的水位,86,部分流量加权法,其中，,加权平均法,87,第六节 几种测流方法,88,测船测流,89,90,大汶口水文站测流,91,一、浮标法测流,1、适用条件,大洪水期，或水面漂浮物较多，使用流速仪测流困难时一种简易的测流方法。,2、测流原理,虚流量,折算系数,92,3、 测定,计算浮标漂浮速度（虚流速） ，测量水道断面面积，再计算流量。,93,计算步骤：,计算各浮标虚流速 。,绘制虚流速横向分布曲线图。,查算各测速垂线流速，计算相邻测速垂线间部分面积及平均流速。,计算断面虚流量 。,计算断面流量 。,94,二、超声波法流速,（一）原理,利用超声波在水中传播特性。,（二）分类,时差法；频差法。,95,1、时差法 time difference method,利用超声波顺流向与逆流向传播时间不同来测速。,A,B,96,需要在不同水深处安装换能器，以测量不同水层的水流平均流速。,97,测速精度受到水流速、含沙量、水流稳定性、流向、水温等因素的影响。,不适用于高速、高含沙量的河段，因在高速、高含沙量的水流中，超声波的传播性能不好。,98,2、频差法 time difference method,利用超声波顺流向与逆流向传播频率不同来测速。,声束与水体中颗粒流速之间的夹角为,换能器发射的超声波频率为,99,换能器仅测量与声束平行的速度。,换能器聆听到的频率与其发射的声束频率之差为,则水流速,100,第七节 ADCP测流原理与方法,ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler