水文测验学（第三章）

水文测验Hydrometry第三章流量测验（WaterflowMeasurement）内容提纲①流量测验方法分类②断面测量③流速仪测流④其他方法的流量测验目标一：理解掌握断面测量目标二：理解掌握流速仪测流教学目标难点一：测深垂线布设和起点距测定难点二：流量计算方法学习难点第三章流量测验（WaterflowMeasurement）第一节流量测验方法和流速分布（WaterFlowDistributionandItsTestMethods）一、流量测验方法①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。②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③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。④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。⑤直接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（WaterFlowDistributionandItsTestMethods）①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②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：①河底与岸边附近流速最小；畅流期②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。③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：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（RiverSectionSurvey）确定各测深点河底高程布置测深垂线测量各测深点的水深测定各测深点的横向位置(起点距)绘出过水断面图(计算过水断面面积)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（RiverSectionSurvey）断面测量内容①测定河床各点的起点距及其高程。②测定水上部分各点高程③测定水下各点的水深④测定水下各点的水位断面测量要求测量范围大断面测量测至历史最高洪水位以上0.5～1.0m；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（RiverSectionSurvey）（一）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①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；②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（RiverSectionSurvey）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。zziRSORA'GPS定位法（GlobalPositioningSystem）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（RiverSectionSurvey）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。53.0054.0055.0056.0057.0058.0059.0060.0061.0062.0063.0064.00050100150200250300350400450500550起点距(m)高程(m)某水文站流速仪测流断面图断面面积的计算①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。ii1-iaHH)(21iW11aH210W54aH214W②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①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。②将断面按水位分成若干级（0.5m或1.0m为一级）。③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④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。⑤逐级累加得到各级水位的断面面积，绘制水位面积关系曲线。⑥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（WaterFlowMeasurementbyHydrometricPropeller）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流速仪旋桨式旋杯式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：0.2~3.5m/s，适合含沙量较少的河流。旋浆式流速仪：0.04~10m/s，适合多沙的河流。工作原理：流速仪转子的转速n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。)11(221TTCosLV换能器安装固定后，L和θ是常数。第三节流速仪测流（WaterFlowMeasurementbyHydrometricPropeller）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水面宽（m）5.05.05010030010001000精测法561012-1515-2015-2525常测法3-556-87-98-138-1313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。数目测点位置适合的水深(m)一点0.6h1.5二点0.2、0.8h1.5~2.0三点0.2、0.6、0.8h2.0~3.0五点水面、0.2、0.6、0.8h、河底3.0垂线平均流速按测点数区分的公式名称计算公式适合的水深(m)一点法Vm=V0.61.5二点法Vm=(V0.2+V0.8)/21.5~2.0三点法Vm=(V0.2+V0.6+V0.8)/32.0~3.0五点法Vm=(V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0)/103.0测流历时流速脉动对测流误差的影响①流速脉