灌区渠道测流技术复习进程

灌区渠道测流技术

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。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。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。

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。二、渠道测流方法

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：·水位计主要有：

量水槽（巴希尔槽、无喉道量水槽等）

超声波水位计（接触式式）量水堰（薄壁堰、三角堰、宽顶堰等）超声波水位计（非接触式式）闸孔涵洞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）

二、渠道测流方法

33一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）

二、渠道测流方法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25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）测量点流速，人工手动及自动测量

二、渠道测流方法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

二、渠道测流方法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。）

三、渠道测流设备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

三、渠道测流设备1）超声波时差法流量计（分单声道法与多声道法）安装示意图如下图：测流原理如下图：断面的平均流速等于=(V1*A1+V2*A2+…Vi*Ai+…+Vn*An)/A

Vi:第i个流速探头测量的平均线流速Ai:第i个分割面积

三、渠道测流设备2）超声波多普勒流量计实物安装图如下图:断面的平均流速=实际测速范围内的杂质最大概率流速

三、渠道测流设备3）ADCP多声路实物图及安装图：

多声路测流原理图

三、渠道测流设备4）非接触表面流速仪法（雷达流速仪、超声流速仪）

三、渠道测流设备两种常用方法：①超声波时差法（多声道法）②超声波多普勒法相互比较如下

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。）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。

四、设备的选型及安装维护1.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ADCP

5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ADCP

1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

四、设备的选型及安装维护

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2）供电方便3）安全维护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2）方便维护与装卸3）采用防盗安装

4.维护及时清理设备上的堵塞物、清洁传感器、定时校准设备。

五、测流设备的率定

渠道测流设备的率定一般用传统的流速仪法，费用低并且可靠性高，在加密布线的情况下精度也能保证。1.对比测流工况与次数选择

在线测流设备的流量修正系数在一个测流断面不是一个恒定的值，是会随着水流状态发生变化的，一般是通过随高、中、低三个代表性水位变化来表示的。当渠道测流断面较宽且偏流现象严重时，对于不同的水位流量修正系数会有比较大的差别（例如流量修正系数在高水位时大于1而在低水位时小于1）。所以在选择测流断面时应尽量避免这种情况出现，要保证在高、中、低不同水位时流量修正系数基本保持一致（都大于1或都小于1），这时可用一个平均流量修正系数来表示整个断面的流量修正系数。

五、测流设备的率定2.流速仪法的具体方法1）测线布设不同渠宽的测线布设数目渠

别水面宽（m）测线间距（m）测线数目总干、干渠20～502.0～5.010～20分干、支渠5～201.0～2.55～8支渠、斗渠1.5～50.25～0.63～7总干、干、分干渠水深（m）＞3.01.0～3.00.8～1.0＜0.8测速方法五点法三点法二点法一点法支、斗、农渠水深（m）＞1.50.5～1.50.3～0.5＜0.3测速方法五点法三点法二点法一点法2）流速测量不同水深的测速方法3）断面测量4）断面流量计算

五、测流设备的率定3.对比测流数据处理序号流速仪法实测值流量计测量值流量修正系数1

2

3

4

5

6

7

流量修正系数=流速仪法实测值/流量计测量值平均流量修正系数=(流量修正系数1+流量修正系数2+...+流量修正系数n)/n4.率定结果处理

流量修正系数如果大于1.2或小于0.8，则说明测流断面选择有问题或流量计在断面上的安装位置有问题，需重新选择测流断面或流量计安装位置。如果n次不同流况下率定的流量修正系数最大与最小值大小误差在10%以内，则用平均流量修正系数作为该断面的流量修正系数;如果n次不同流况下率定的流量修正系数最大与最小值大小误差在10%以上20%以内，则按高、中、低水位或高、低水位确定该断面的3个或2个不同水位范围的流量修正系数;如果n次不同流况下率定的流量修正系数最大与最小值大小误差在20%以上，则说明测流断面选择有问题，需重新选择测流断面。

六、测流设备的测量精度提高

以上几种测流设备在实际应用中其实际测量精度与理论精度（即仪器出厂标定精度）肯定会有一定的差距，这主要是由于安装位置、安装精度、数据处理方法、率定方法等产生的，因此提高测量精度主要从这几点入手：（1）调整安装位置尽量选择具有标准断面的顺直渠道，满足前10后5的要求（既仪器上游顺直段有10倍渠宽，下游顺直段有5倍渠宽）。如果不满足这个要求，水的流态不会非常平稳，会产生测量结果偏大或偏小的情况，这时就需要进行修正，一般是乘以一个修正系数（该系数是通过现场率定产生的）或调整安装位置。（2）提高安装精度主要为流速探头的安装角度、位置等是否准确，如果安装角度发生偏差，则结果会有一个固定的误差系数，这时候为提高测量精度则需要调整安装角度或乘以一个修正系数。（3）数据处理方法主要是指在实际测量过程中现场会有各种干扰（如正在测量时有鱼在流速探头附近游过），使个别数据不准或完全失真，如果测量的时间间隔较大，则这些失真数据会对测量结果产生较大影响，因此需要增加测量时间间隔密度或对失真数据进行删除或平滑处理。（4）率定方法率定时一定要保证在一段时间内测量断面处的过流量保持恒定，否则在涨水或落水的过程中同样的水位会对应不同的流量，造成校准系数结果偏大（落水）或偏小（涨水）；另一个要注意的是要选择一个或几个合适的水位附近进行校准，不能选择极端水位；当实际断面过流量的准确值无法获得时，可通过对称法或反向法安装仪器来抵消系统误差。

七、在线测流系统的一般结构及组成其中：①流量计由水位流速传感器与终端机（二次仪表）组成；

②监控管理软件安装于服务器上。

③通讯仪器可选无线通讯设备或有线网络通讯设备。

④电源系统可采用民用供电系统或太阳能供电系统，也可使用电池供电。

八、相关规范标准

国家水资源监控能力建设项目实施方案（2016-2018）GB50179-2015河流流量测验规范SL537－2011水工建筑物与堰槽测流规范SL337－2006声学多普勒流量测验规范SL365－2007水资源水量监测技术导则SL384－2007水位观测平台技术标准GB/T50138－2010水位观测标准SL61－2003水文自动测报系统技术规范SZY202－2013水资源监测站点建设技术导则SZY203－2012水资源监测设备技术要求SZY204－2012监测设备现场安装调试SZY205－2012水资源监测设备质量检验SZY206－2012水资源监测数据传输规约九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水1.建设目标及任务要求

监测目标要求：对全国河道外取水量的80%以上和全国总水量的50%以上实现取用水在线监测，其中5万亩以上灌区渠首取水全部实现在线监测，1万亩至5万亩灌区渠首取水实现在线监测或规范计量。

建设内容：对地表取水年许可取水量在100~300万m3之间和地下取水年许可取水量在20~50万m3以上的颁证取用水户进行在线监测建设，以及对2321个重点中型以上灌区（即灌溉面积5万亩及以上的灌区）渠首取水量进行监测。

测流精度要求精度等级误差范围

适用范围备注一类精度<9%≥30万亩的大型灌区渠首测流

二类精度<10%≥5万亩的重点中型灌区渠首测流

三类精度<12%≥1万亩中型灌区渠首测流

九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.技术要求

（1）系统结构系统结构由国家监控中心、流域机构与省分中心以及测站组成。九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.技术要求（2）信息传输要求包括信息传输路由、通信方式、信息采集与传输频度、通信规约。（3）监测站设置要求各省对灌区渠首取水监测站的站点布设应根据二期项目对取用水监测范围的具体目标进行统筹安排：①大型灌区（设计灌溉面积≥30万亩）渠首自动监测站点的设置应保证对取水量监控能力达