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水文测验实习指导书
水文测验实习指导书
张利平许建明付小平
武汉大学水利水电学院
水文水资源系
目录
实验四流速仪(旋杯式和旋浆式)的拆装………………………………41
一、ZSX-3型直读流速流向仪……………………42
二、旋杯式流速仪的拆装…………………………43
三、旋浆式流速仪的拆装…………………………45
实验五流量测验…………………………………………………………46
一、断面测量…………………………………………47
二、流速测验…………………………………………49
三、流量计算…………………………………………50
实验六水下地形测量……………………………………………………52
一、测深点的布设……………………………………53
二、水位观测和测点高程……………………………54
三、测深工具…………………………………………55
四、定位测量(测距)………………………………61
五、对讲机..................................66
六、施测步骤…………………………………………68
水文资料是水利水电工程及其它建设工程规划设计的基本依据,而水文资料来源于水文测验。
水文测验包括水位、流量、含沙量、输沙率、降水、蒸发、地下水水位、水质等的测定与收集,这些资料收集工作要借助于水文仪器来进行,要靠一整套方法来完成。
动手操作仪器,了解水文测验的基本方法等就是水文实习课的基本要求。
实验四流速仪(旋杯式和旋浆式)的拆装
要求:
1了解流速仪的主要构造与工作原理
2掌握流速仪的使用方法
一ZSX-3型直读流速流向仪
ZSX-3型直读流速流向仪是一种能同时测流速流向的新式仪器.
1构造与原理
结构见图所示。
仪器分为水上和水下两部分。
水下部分主要由旋转、身架和尾翼组成,且尾部有一个定向磁钢及一个传讯线圈,由于结构的原则,加双尾翼,为避免铅鱼、钢丝绳等铁体对磁钢的影响,转轴上下均用铜悬杆隔开;水上部分主要为直读流速显示器,水下的流速流向讯号通过六芯电缆传入显示器内。
流速计算是按直线公式设计的,当流速大于0.2米/秒时,
V=K.N/T+C
式中 V------流速;
K------水力螺距系数;
N------旋浆转数;
T--------时间;
C------仪器常数;
测流向是根据“磁性同步器原理”设计的,即传递器作任何转动时,指示器的指针也旋转同样的角度。
2安装
首先将尾翼用固尾螺丝紧固在身架上,将旋浆放在转轴套上,转轴套上、下用铜悬杆联接,下面再吊铅鱼,上面接钢丝绳,再将六芯电缆上的密水插头端接在插座上,要用扳手固紧才能防水,线的另一端接在显示器上。
电池盒内装四节干电池(注意“+”、“-”极),接入显示器后接电源插座。
3使用方法
1、K值选择:
从流速仪检定公式中找出仪器的K值,然后将K值选择开关置于相应挡位;
2、C值选择:
它是专门用来预置流速仪C值的。
横线上方是用50秒测流时预置C值,有两个挡位;横线下方是用100秒测流时预置C值,有四个挡位供选择。
使用时,首先从流速仪检定公式中找出仪器的C值,然后按四舍五入的原则将C值选择开关置于相应挡位;
3、直读挡:
当测点流速大于0.2米/秒,测流时,将流速开关置于该挡位,启动复零开关;
4、计数挡:
当流速低于0.2米/秒时,用此挡位;
5、测流向:
将流向开关置于“开”位置,等指针平稳后即可读取流向值,流向值最好取几次的平均值,流向耗电较大,必须随测随开,由于流向开关对测速有影响,故不宜在测速时开动流向开关;
6、仪器用完后,流速开关拨到“电源关”上,流向开关置于“关”上。
二旋杯式流速仪的拆装
以LS-68型旋杯式流速仪为例,其构造如图所示:
1、旋杯2、旋轴3、轭架4、旋盘固定帽5、顶针6、顶头7、并帽8、旋盘固定架9、轭架顶螺丝10、顶窝11、固定帽垫圈12、偏心轴13、侧盖14、齿轮15、齿轮轴螺丝16、接触丝17、固定螺丝18、轴套座19、钢珠20、钢珠21、弹簧垫圈22、顶盖23、顶盖垫圈24、绝缘套25、联结螺丝26、紧压螺帽27、绝缘垫圈28、小六角螺帽29、接线螺丝30、防脱螺丝31、压线螺帽32、悬杆33、固尾螺丝34、尾翼35、平衡帽
主要结构性能如下:
转子部分:
由旋杯、旋盘、旋轴、顶针及轴套座等组成,它位于仪器的头部,当水流冲击仪器时,使其转动,并通过它传递到接触部分,借此来测出水流的速度。
接触部分:
包括偏心轴、齿轮、接触销、接触丝等部件,这些称为传讯机构,其中齿轮与转子部分的旋轴接触,并一起旋转,转轴旋转20转,齿轮旋转一周,齿轮侧面有四个接触销,故当接触丝与之接触时,则旋轴每转5转时接通电路一次。
尾翼:
是用以平衡仪器,使仪器迎向水流的机构。
1拆装内容
拆装旋杯式流速仪的头部,包括旋盘、旋轴、顶针、顶头小螺丝扣、轴套座偏心轴;察看齿轮、接触丝,并了解以上零件的相互关系。
2拆装步骤
(1)用扳手把固定旋盘的六角螺丝打开,再松开上下顶螺丝,取下旋盘固定器或顶针及偏心筒。
(2)将偏心筒的侧盖用扳手打开,了解接触丝及齿轮的转动与接触情况。
(3)将偏心筒的顶盖打开,找到钢珠座的位置,用螺丝刀将钢珠座取下,看其结构。
(4)取出压盘六角螺帽,卸下旋轴,旋杯,观察其构造。
(5)把上面拆卸的零件安装为原状,然后把旋盘固定器取下,装上顶针,口轻轻吹气视仪器灵敏,灵敏则可,否则进行调整。
(6)把两电线一端接在两压线螺丝帽下面,另一端接到计数器上,转动旋杯,看其发出信号是否正常,最后取下顶针,把仪器按照原来位置,安放在箱子中。
三旋浆式流速仪的拆装
以LS10型旋浆式流速仪为例,其结构如图:
1、旋桨2、压帽3、旋轴4、齿轮轴5、齿轮6、接触丝7、固定螺丝8、插头9、衬套10、衬管11、压线螺丝12、接线柱13、固定螺丝14、身架15、插孔套16、插孔17、固轴螺丝18、防水垫圈19、绝缘座20、接触轴套21、接触销22、螺丝套23、后轴套24、外隔套25、内隔套26、轴承27、前轴套
旋浆式流速仪的结构主要包括旋转、身架和尾翼三大部件。
1拆装内容
拆装旋浆式流速仪的旋转部件、身架及尾翼,了解相互之间的联系和原理。
2拆装步骤
1)取下轴套末端的保护套,按顺时针方向将反螺丝套取下,并将轴套连回旋轴从浆叶中取出;
2)将旋轴从轴套中取出后,拆下轴套、套管及螺丝帽、上轴承外圈、外隔套、内隔套、下轴承外圈、下轴承等部件,请认清零件的位置,按相反步骤再装上还原(要特别注意上下轴及外圈的位置);
3)在未装上轴套前,用手扳动小齿轮,看接触丝接触情况,其原理是这样的:
当安装在轴套内腔中的螺丝套随旋浆一起转动时,螺丝套的螺丝即带动齿轮转动,螺丝套每转一圈,螺纹即发动齿轮一个牙,齿轮有20个牙,故旋浆每转20转,齿轮回转一周,同时,齿轮上的接触销即与其上方的接触丝相碰一次,电路随即接通,电流经由导电杆传至身架部分的接线柱,并借电线传至水面的电讯部分,以供计数;
4)将旋轴插入浆叶内,装上反螺丝套;
5)松开身架固定螺丝,将旋轴插入身架内再上紧固定螺丝,并装上尾翼;
6)将仪器悬挂在测杆上,并接上信号设备,观察信号是否正常;
7)最后将仪器装入仪器箱内相应的各部件的位置上。
实验五流量测验
通过这个实验,同学们应了解如何正确使用流速仪,知道如何测得点流速和如何通过测点流速来计算流量.
通过河流某一断面的流量Q可表示为断面平均流速V和过水断面面积A的乘积,即
Q=V.A,因此,流量测验应包括断面测量和流速测验两部分工作。
流速仪法测流,是以上式为依据,将过水断面划分为若干部分,用普通测量的方法测算出各部分断面的面积,用流速仪测算出各部分面积上的平均流速,部分面积乘以相应部分面积上的平均流速,称为部分流量。
部分流量的总和即为断面的流量。
一 断面测量
河道断面测量,是在断面上布设一定数量的测深垂线,如图1所示,测得每条测深垂线的Di和水深Hi,从施测的水位减去水深,即得各测深垂线处的河底高程,便可绘制断面图(图一)。
图一 断面测量示意图
1水深测量
测深垂线的数目和位置要求达到能控制断面形状的变化,以便能正确地绘出断面图。
一般主槽较密,滩地较稀,测深垂线的位置应能控制河床变化的转折点。
测量水深的方法随水深,流速大小,精度要求不同而异。
通常采用测深杆,测深锤(或铅鱼),回声测深仪等施测。
测深杆是一种精度较高的测深方法,当水深小于5m,流速小于3.0m/s时,应尽量采用。
测深锤(或铅鱼)用于流速和水深都较大的情况。
回声测深仪一般适用于水深较大,含沙量小的江河湖库。
测法详见"水下地形测量"一节。
2起点距测量
起点距是指断面上测深垂线到断面起点桩的水平距离。
起点距可用断面索法和仪器交会法测定。
断面索法,如图二,是一种架设在横断面上的钢丝缆索上系好表示起点距的标志,直接读得各测深垂线起点距的一种方法,适用于河宽不大,有条件架设断面索的测站。
图二 测角交会法测定起点距示意图
仪器测角交会法包括经纬仪交会法和六分仪交会法等。
当使用经纬仪作前方交会时,将仪器架设在C点测出夹角,再用下式计算出起点距。
D=L.tgΦ
式中D-------起点距,m;
L-------基线长度,m;
Φ----基线与经纬仪视线间的夹角,º;
六分仪交会法是在船上测出夹角β,再按下式计算起点距:
D=L.ctgβ
二流速测验
1流速仪测速原理与点流速测定
图1LS68-2型旋杯式流速仪 图2 LS25-1型旋桨式流速仪
流速仪是用来测定水流中任意指定点沿流向的水平流速的仪器。
我国采用的主要是旋杯式(图1)和旋浆式(图2)两类。
它们由感应水流的旋杯器(旋杯或旋桨),记录信号的计数器和保持仪器正对水流的尾翼等三部分组成。
当仪器放入水中时,旋杯或旋桨受水流冲动而旋转,流速越大,旋转越快。
根据每秒转数和流速的关系,便可计算出测点流速。
流速仪转子的转速n与流速v的关系,在流速仪检定槽中通过实验率定,其关系式一般为v=Kn+C,式中K、C分别为仪器检定常数与摩阻系数。
测流时,对于某一测点,记下仪器的总转数N和测速历时T,求出转速n=N/T,由式即可求出该测点的流速v。
为消除流速脉动的影响,要求T>100s。
2.流速垂线及测速点布置
流速仪测速时必须在断面上布设测速垂线和测速点,以计算测量断面面积上的流速。
测速的方法,根据布设垂线、测点的多少繁简程度而分为精测法、常测法和简测法。
流速仪测速垂线的数目主要是根据水面宽度和水深而定,具体规定见表一。
表一我国精测法、常测法最少测速垂线数目的规定
水面宽(m)
<5.0
5.0
50
100
300
1000
>1000
精测法
5
6
10
12-15
15-20
15-25
>25
常测法
3-5
5
6-8
7-9
8-13
8-13
>13
在每条测速垂线上,流速随水深而变化,为求得垂线平均流速,须在各测速垂线不同水深点上测速。
垂线上测点的数目和位置根据水深和对精度的要求而定,见表二。
表二精测法测速点的分布
水深
垂线上测点数目和位置
悬杆悬吊
悬索悬吊
畅流期
冰期
>1.0
>3.0
五点(水面、0.2、0.6、0.8水深、河底)
六点(水面、0.2、0.4、0.6、0.8水深、河底)
0.4~1.0
1.5~3.0
三点(0.2、0.6、0.8水深)
二点(0.2、0.8水深)
0.16~0.40
0.6~1.5
一点(0.6或0.5水深)
<0.6
改用悬杆悬吊或其它测流方法
改用悬杆悬吊
<0.16
改用小浮标或其它测流方法
三流量计算
流量计算一般都以列表方式进行。
方法是:
由测点流速推求垂线平均流速,由垂线平均流速推求部分面积上的平均流速,部分平均流速和部分面积相乘得部分流量,各部分流量之和即为全断面流量。
1.垂线平均流速计算
一点法Vm=V0.6或 Vm=(0.90~0.95)V0.5
二点法Vm=(V0.2+V0.8)/2
三点法Vm=(V0.2+V0.6+V0.8)/3
五点法Vm=(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)/10
式中 Vm------垂线平均流速,m/s;
V0.0,V0.2,V0.6,V0.8,V1.0------水面,0.2H,….,河底处的测点流速,m/s。
2.部分面积平均流速的计算
部分面积平均流速是指两测速垂线间部分面积的平均流速,以及岸边或死水边与断面两端测速垂线间部分面积的平均流速,见图。
图的下半部表示断面图,上半部表示垂线平均流速沿断面的分布图。
(1)中间部分面积平均流速的计算
V2=(Vm1+Vm2)/2
(2)岸边部分面积平均流速的计算
V1=aVm1
式中a---为岸边系数,与岸边性质有关,斜岸边a=0.67~0.75,陡岸边a=0.8~0.9,死水边a=0.5~0.67。
图1 流量及部分面积计算示意图
3.部分面积计算
部分面积以测速垂线为分界。
中间部分按梯形计算,岸边部分按三角形计算(见图)
(1) 中间部分面积,例如
A2=(H1+H2).b2/2
(2)岸边部分面积
A1=H1.b1/2
4.断面流量计算
Q=A1V1+A2V2+……….+AnVn=q1+q2+……..+qn
式中qi-----各部分面积的流量
5.断面平均流速计算
V=Q/A
式中A-----过水断面面积,m2;它等于各部分面积之和。
四要求
1、测出各垂线的水深和起点距,
2、测出各垂线上的点流速;
3、计算断面流量。
用测深杆配合测流速,施测时5--6人一组,1人指挥,2人进行测量,1人记录,1人看秒表。
所用工具有:
流速仪(LS-25-1型旋浆式)、测深杆、秒表、钢卷尺、计数器等。
五具体操作
1、用钢卷尺和测深杆量出所测横断面图;
2、布置测速垂线,布置3根;
3、用钢卷尺量出各测速垂线的起点距;
4、用测深杆测水深;
5、测垂线上各点流速,各测量数字汇入表1中,这里规定一根垂线上测三点,即0.2h、0.6h和0.8h。
注意各流速均要求测两遍,以检查是否出错;为了避免流速的脉动影响,每点每次测速历时不得少于100秒。
6、流量计算,按表2进行。
假定水面高程28.00米,m=0.9。
实验六水下地形测量
江河湖海水面以下常呈现复杂的地形。
为了研究河床、海岸的演变,确定河道整治方案,修建闸坝等水工建筑物,要有水下地形资料。
水下地形用等高线表示,除施测方法与陆地上有差异外,施测原理基本相同。
水下地形测量是利用船艇在水面上探测河道地形的一种方法,包括水位观测、测深和定位等内容。
水下地形测量与陆地地形测量一样,首先确定点的平面位置(称定位),再确定点的高程。
定位测量可采用经纬仪,六分仪进行;高程即测深可用回声测深仪,超声波测深仪,测深杆,测深锤等进行。
一、测深点的布设
在水下地形测量中,河床的高低起伏情况是看不见的,不可能像陆地上地形测量那样选择地形特征点作为碎部点,一般只能按均匀分布的原则布设测深点。
图1某河段测深点布设示意图
如图所示,在垂直于河流流向每隔一定距离布设测深断面(在河道弯曲处,测深断面可布设成辐射线的形式)。
在每个测深断面延长方向的两岸上竖立断面标杆,测船以断面标杆为目标眼断面行驶,每隔一定距离测定一个水深,与此同时用经纬仪或六分仪交会法测定测深点的平面位置。
一般规定,在图上每隔1--2cm布设一个测深断面,相邻测点之间的距离在图上一般为0.6--0.8cm左右.
二、水位观测和测点高程
为了求得河床测点的高程,要观测水位与水深,以水位减水深即得测点高程。
如测区附近已设有固定水尺,可直接进行水位观测。
否则,应在水边设立临时水尺进行观测。
由于水位的涨落随时间而异,严格地说,计算每个测点的高程应该用测量该点水深时的水位。
但这是难以做到的,实际上也不需要这样高的精度。
一般做法是每测一个断面观测一次水位,或在测量开始和结束时各观测一次水位。
水位不仅随时间而异,而且随地点不同而异。
除湖、库以外,河流水面总有个降落的坡度,这时应根据所观测河段的首部、中部和尾部水位,按水面比降及断面间距推算出各测深断面的水位。
三、测深工具
(一)测深杆及测深锤
测深杆和测深锤构造如图所示,测深杆适用于水深在5米以内的浅水区,而测深锤用在水深为10米以内的河道。
图1测深杆 图2 测深锤
(二)回声测深仪
在水深流急的河道中,可使用回声测深仪。
回声测深仪是利用超声波回声原理设计制成的,如图1、2所示,回声测深仪从发射换能器向河底发射超声波,超声波到达河底后发射回来,由仪器的接受换能器接收。
因为超声波在水中的传播速度V已知(在水温28摄氏度时,约每秒1500米),记下从发声到回声所经历的时间t,则换能器至河底的距离h'为:
h'=Vt/2
量取水面至换能器的距离b,则该点的水深h为:
h=h'+b
因此,要测定水深,关键在于测定发声至回声所经历的时间t,但仪器不是显示时间t,而是把发声及回声的声波变成电能,由电能再变为机械能,驱动记录针不断的移动,将水深直接显示在记录纸上。
图1回声波测深仪 图2回声波测深原理
回声测深仪的使用:
以NH-1/2型回声测深仪为例说明用法,操作步骤如下:
1、安装换能器,换能器吃水深度一般为0.6米;
2、打开电源开关检查连接所有的电缆,并看电压是否是12V;
3、用手将转盘转一转,故无故障即可开机;
4、选用显示或记录,如用显示则将走纸调至空挡,将记录笔向上提至记录笔架的突出部分,减少记录笔磨损;
5、如用记录,可将量程选择开关放在所需的工作位置上,选择走纸快档或慢档;
6、开启转速测量灯开关(在常温下)指示灯每分钟应为112.5次;
7、调节发声线起点与比例尺零点重合,发声与收声二点用比例尺量将水深,加上换能器吃水深度就是实测水深。
(三)便携式超声波测深仪
便携式超声波测深仪(HSW-1000DATA)
使用指南
HSW-1000DATA型便携式超声波测深仪是超小型数字化水深测量仪器,具有体积小、功耗低、精度高、工作稳定可靠等特点。
仪器小巧、价格较高,希望大家在使用过程中注意爱惜。
一、仪器主要技术指标:
最大水深100米,显示分辨率0.01米,换能器入水深度修正0-2米。
二、该仪器由两部分(水上—主机、水下—换能器)组成,见下图:
1.主机示意图:
2.换能器示意图:
HSW-1000DATA型便携式超声波测深仪是利用回声法进行水深测量的,即由测深仪换能器对水底发射一定脉宽、一定能量的声波脉冲,经水低反射后仪器将记录声波由发射到接收到回波的时间,然后根据水中声速V(约1460米/秒)和声波往返时间T换算出水深h,即:
h=VT/2。
其中水中声速V随水温和盐度的变化而变化,那么实际水深H应为:
H=Lh+E,其中L为声速修正系数(见表一),E为换能器入水深度。
表一、水声速修正系数表:
水温TW(0C)
淡水LF
海水LS
0-8
0.98
1.00
9-18
1.00
1.04
19-38
1.02
1.06
说明:
经实验,谈水中声速为:
V=1410+4.21C-0.037C2
海水中声速为:
V=1449+4.60C-0.055C2
C为摄氏水温,水深修正系数L=V/1460。
三、下面介绍仪器的操作使用
1.装上电池;
2.将换能器与主机连接,此时主机自动进入开机工作状态;
3.将换能器置入水中,按仪器要求应将换能器垂直于入水中0.2米左右,且换能器侧面150开角内不要有障碍物。
见下图。
4.每次测量时一定要对水温进行量测,以确定当时的L(声速修正系数),一定要确定E(换能器置入水中的深度)。
其具体方法为:
a.按下确认/加1——(▲)键,仪器显示窗将显示HELP,即进入功能设置状态,其中“闪烁”的字符表示可对该项进行调整。
用选择——(▲)选择需选取的L项,再按一次确认/加1——(▲)键而进行数据调整,当三位数都调整修改完毕后,再按确认/加1——(▲)键,仪器将回到功能设置状态,
b.再选择需选取的E项,重复上面步骤,以确定E值,注意,设置的E值要和换能器入水深度相一致。
5.再按确认/加1——(▲)键,仪器将回到功能设置状态,出现H0.00说明仪器进入测量状态,即可开始测量。
上述操作项a.中谈到显示窗将显示HELP,每个字符的含义见表二。
表二、功能选择表
按▲键移动光标
按▲键确认功能
P
关机(长按1秒钟)
L
修改水声修正系数
E
修改换能器入水深度
H
返回测深状态
四、几点提示:
1.每次测深前务必检查L、E是否已正确设置
2.若主机显示P×.××,则说明水深已超出100米的显示器显示范围
3.若主机显示LB—欠压,则应更换电池
4.使用仪器时应手持悬杆,不要手提电缆线,以免电缆内部脱断。
五、故障检查:
故障现象
故障原因
排除方法
无任何显示
1、电缆插头未插入插座
2、电池扣松动
3、电池用尽
4、仪器进入待机状态
插上插头
重新扣好
更换电池
按“R/ON”键开机
只显示H0.00,
没有数据或
数据紊乱
1.换能器没有置入水中
2.换能器入水深度不足
3.换能器倾斜
4.换能器侧面有障碍物
5.水深太深
6.遇到漩泡水流
7.电缆插头松动
8.电力不足
9.“E”设置错误
将换能器置入水中
要有足够的入水深度
导流罩悬杆应垂直于水面
避开障碍物
在规定的范围内使用
介质必须是水,不能有气泡
重新插好
更换电池
正确设置
四定位测量(测距)
确定测深点平面位置的方法有经纬仪前方交会法,六分仪后方交会法。
目前我们采用手持式激光测距仪。
(一)经纬仪前方交会法
经纬仪前方交会法,是用两架经纬仪对测点同时测定两个交会角,以确定该点的平面位置。
如图1所示,A、B、C、D为控制点,要确定测船所在点1的位置,可在A点和B点上分别安置经纬仪,同时测出交会角β1和α1,则点1的位置即确定。
因为A、B、C、D各点的坐标为已知,在A点量出α1角,绘出方向线A1,在B点量出β1角,绘出方向线B1,两方向线的交点即为点1的位置。
同样的方法可定出其它各测深点的位置。
图1 经纬仪前方交会法
(二)六分仪后方交会法
六分仪是应用平面镜反光作用测角的一种仪器,其度盘的弧长为
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