流速仪测流法及水工建筑物量水率定.docx
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流速仪测流法及水工建筑物量水率定
流速仪测流法及水工建筑物量水率定
中国灌区协会“全国灌区量水技术研讨班”教材
流速仪测流法
及水工建筑物量水率定
郭宗信
河北省石津灌区管理局
由于灌溉渠道的断面一般都比较规则,有些测站修建了标准断面,故可将测深垂线与测速垂线合并起来。
即在测线处既测深又测速。
根据实际情况,垂线可等距离或不等距离地布设。
若过水断面对称、水流对称,则垂线应尽量对称布设。
表1给出了平整断面上测线布设标准,供实际工作中参考。
表1平整断面上不同水面宽的测线布设
渠别
水面宽(m)
测线间距(m)
测线数目
总干、干渠
20~50
2.0~5.0
10~20
分干、支渠
5~20
1.0~2.5
5~8
支渠、斗渠
1.5~5
0.25~0.6
3~7
第二节断面测量与流速测量
(一)断面测量
断面测量包括测线间距(部分宽)测量和水深测量。
在测桥上测流时测线间距一般在布置测线时设置固定标志,其间距均事先测出,测流时只需测量水边宽度。
缆道测流时,测线间距是由循环索控制,水文绞车计数器显示的,因此计数器的读数与循环索的行进距离之间的比例应率定准确。
水深测量多用悬索或测秆直接观读,用悬索测深时,由于水流的冲击作用,入水后悬索向下游偏斜,一般偏角不大时,将湿绳长度视为水深,若偏角大于10°时则需修正湿绳长度后才得水深值。
用测秆测深时,往往有壅水现象,因此要修正壅水影响的水深误差。
即在观读水深时,减去壅水高度。
在混凝土衬砌的断面上测流,水深测量应注意测秆底盘下面一段尖端的高度,根据分化刻度的起始位置,进行相应的处理。
无论使用何种测具测量水深,测量时都应保持垂直状态。
在衬砌的标准测流断面上,若断面无淤积,水流稳定时,可以设置固定水尺,用水准仪测出水尺零点与各测线处渠底的高差,就得到每条测线处的实际水深值。
即:
Hj=h±Δhj
式中:
Hj——第h条垂线处的实际水深;
h——水尺读数;
Δhj——第j条垂线处渠底与水尺零点的高差。
(二)流速测量
测量垂线平均流速的方法,通常有积深法和积点法。
积深法的垂线平均流速计算公式为:
Vm=
Vdy
式中:
Vm——垂线平均流速;
D——垂线水深;
V——垂线上任一深度y处的流速。
积深法属于垂直方向的积分法,从理论上讲,在不考虑其它影响因素时,此法具有较高的精度。
然而,最常用的是积点法。
积点法是在垂线上按一定规律布置有限的测点施测点流,根据测得的各点流速,推算垂线平均流速。
流速在垂线上的分布规律,对于明渠流,一般采用普朗德—卡门对数模式:
Vη=Vm(1.116+0.267lgη)
式中:
η——相对水深,η=y/D,y为自渠底算起的测点深;
Vm——垂线上相对水深η处的流速;
Vm——垂线平均流速。
以Vm=1,并以不同的η值代入上式可求得垂线上的相对水深与流速的关系。
如表2。
表2当Vm=1时,η与V的关系
相对深度(η)
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.01
测点流速(V)
1.12
1.10
1.09
1.07
1.06
1.04
1.01
0.98
0.93
0.85
0.58
根据垂线流速分布规律,施测垂线上若干个有代表性的测点流速,即可推算出垂线平均流速。
积点法的测速方法一般有以下几种:
1.一点法:
施测垂线上一个点的流速,代表垂线的平均流速。
测点设在自水面向下计算垂线水深的十分之六处(即0.6D)。
将流速仪悬吊在该点,实测的流速就是这条垂线的垂线平均流速:
Vm=V0.6
2.二点法:
测速点设在水面以下0.2及0.8相对水深处,两点的测点流速的平均值即为垂线平均流速:
Vm=
3.三点法:
测速点设在水面下0.2、0.6、0.8相对水深处,三个测点流速的平均值或加权平均值即为垂线平均流速:
Vm=
或:
Vm=
4.五点法:
测点设在水面(在水面以下5cm左右处施测,以不露仪器的旋转部件为准)0.2、0.6、0.8相对水深处及渠底(离开渠底2~5cm)。
各测点流速的加权平均值即为垂线平均流速:
Vm=
施测中,具体采用几点法,要根据垂线水深来确定。
一般地说多点法较少点法更精确一些,但垂线上流速测点的间距,不宜小于流速仪旋桨或旋杯的直径。
为了克服流速脉动的影响,每个测点的测速历时均应在100秒以上。
表3给出了不同水深测速方法的选择参考标准。
表3不同水深的测速方法
总干、干、分干渠
水深(m)
>3.0
1.0~3.0
0.8~1.0
<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)
>1.5
0.5~1.5
0.3~0.5
<0.3
测速方法
五点法
三点法
二点法
一点法
第三节断面流量计算
断面流量计算一般采用平均分割法。
计算步骤如下:
1.计算测点流速:
根据施测记录的转数和历时,按流速公式V=kn+C,计算测点流速;
2.计算垂线平均流速:
根据实测情况,按垂线平均流速的计算方法,求出各测线的垂线平均流速:
Vm1、Vm2……Vm(n-1);
3.计算部分平均流速:
部分平均流速就是相邻两条测线的垂线平均流速的平均值:
V2=
(Vm1+Vm2)
V3=
(Vm2+Vm3)
…………
水边部分平均流速(V1或Vn),等于近岸测线的垂线平均流速(Vm1或Vm(n-1))乘以岸边流速系数α:
V1=αVm1
Vn=αVm(n-1)
岸边流速系数α,与渠道的断面形状、渠岸的糙率、水流条件等有关。
合理地选取α值,对提高流量施测精度有显著影响。
α值可以通过实测确定。
4.计算部分面积:
部分面积由相邻的两条测线处的水深的平均值乘以测线间距而得,如图1中:
f2=
(D1+D2)b2
f3=
(D2+D3)b3
…………
两水边部分面积为:
f1=
D1b1
fn=
Dn-1bn
5.计算部分流量:
由每块部分面积乘以该面积上对应的部分平均流速即得部分流量。
设各个部分流量为:
q1、q2、q3……qn,则:
q1=V1×f1
q2=V2×f2
q3=V3×f3
………
qn=Vn×fn
6.计算断面流量:
各个部分流量之和即为断面流量(Q):
Q=
流量实测的记录计算表格形式如表4。
表4测流记载及计算表
渠道名称
地点
施测时间
时分至时分
流速公式
天气
风向
风力
流向
仪器号码
点
次
起点距
(米)
水深
(米)
测点深
(米)
时间
(秒)
转数
(转)
测点
流速
(米/秒)
垂线平
均流速
(米/秒)
部分
流速
(米/秒)
部分
宽
(米)
部分平
均水深
(米)
部分面积
(米2)
部分
流量
(米3/秒)
大事记
闸孔宽度(米)
断面平均流速(米/秒)
提闸高度(米)
上游水尺(米)
断面平均水深(米)
下游水尺(米)
闸前水尺(米)
流态
闸后水尺(米)
校核:
计算:
第四节流速仪测量方法的精简分析
(一)常测法的精简分析
1.用精测资料精简分析
根据精测资料,选取一部分测线、测点,缩短测点测速历时,重新计算断面流量,求出与精测流量之间的随机误差和系统误差,如各项误差符合表5的要求,精简方案即可用作常测法。
表5常测法的误差界限
累积频率95%的误差
累积频率75%的误差
系统误差
水文规范
内控标准
水文规范
内控标准
水文规范
内控标准
±5%
±3%
±3%
±2%
±1%
±0.5%
分析步骤如下:
(1)绘制流速横向分布图。
根据流速横向分布情况,合理地选择布设垂线,使精简垂线后,流速横向分布能基本上维持原形;
(2)绘制流速垂直分布图。
根据流速垂线分布情况拟定测点精简方案;
(3)根据上述初步选定的测线测点,用少数精测资料,进行精简前后单宽流量计算,并绘出单宽流量横向分布图,比较不同精简方案的这种图形,选择流量误差小者,进行全面的精简分析计算;
(4)将所有精测资料,按拟定的几种精简方案,重新计算断面流量。
然后将每一个精简方案的流量成果与精测法流量成果比较,进行误差分析。
按规范标准(见表5)确定合理方案。
2.常测法分开精简法
所谓分开精简分析,是采用垂线、测点分开作精简计算,适用于难以取得精测法资料的测站。
其分析步骤是:
(1)在测流断面上选择有代表性的少数测速垂线,用多点法在各级水位分别测速,取得30次以上的资料。
然后,分别计算每种精简测点方案的垂线平均流速,并与多点法比较,计算相对误差,并统计系统误差及累积频率75%和95%的随机误差;
(2)按正规精测法布置测速垂线,而用少点法在各级水位测流,取得不少于30次以上资料后,进行垂线精简,并分别计算各精简方案的流量相对误差。
再统计系统误差及累积频率75%和95%的随机误差;
(3)将上述两项分开精简的各种方案,进行不同的组合,产生若干精简方案,这些方案的误差计算方法如下:
综合随机误差:
m=
式中:
m——断面流量随机误差的综合值;
mx——用多线少点资料精简垂线的误差;
md——用多点法资料精简测点的误差;
n——各多线资料中测速垂线数的平均值;
α——不等权系数,1>α>
,其中
为部分流量的均值,采用总流量除以垂线数,qn为最大部分流量。
综合系统误差:
XQ=Xd+Xx
式中:
XQ——断面流量的综合系统误差;
Xd——精简测点使流量产生的系统误差;
Xx——精简垂线使流量产生的系统误差;
当上述综合随机误差和综合系统误差符合规范标准(表5)时,则精简方案成立。
(二)简测法的精简分析
对于断面比较稳定的测站,可采用一线一点法、两线一点法、一线两点法、一线三点法等精简
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