清華大學水文信息技術(shù)第四章+流量測驗課件

水文信息技術(shù)Hydrologicinformationtechnology1本章內(nèi)容斷面測量流速儀流速脈動、流速分布流速儀法測流第四章流量測驗2第一節(jié)概述意義

一、測流意義、目的

目的

流量數(shù)值是各種水工建筑物的規(guī)劃、設(shè)計和管理的重要依據(jù)。流量是江河、湖泊、水庫等水體的重要水文特征值，它決定水資源利用的可能性。如城市給水、排水、航運、引水和分流等措施都需要流量資料。3二、測流方法

flowmeasurementmethod

流速面積法；水力學方法；物理法；化學法；直接法。

1、流速面積法velocityareamethod

原理種類流速儀法；浮標法；比降面積法等。特點基本方法，準確、可靠。4流速儀法current-metermethod使用流速儀測量斷面上多點的流速，再配合斷面面積測量，計算流量。5浮標法floatmethod

利用浮標測量斷面流速，再配合斷面面積測量，計算流量。6比降面積法slopeareamethod測量水面比降，再配合面積測量以及糙率資料，計算流量。比降糙率72、水力學方法hydraulic

method依靠專門修建的量水建筑物或現(xiàn)成的水工建筑物，測量水頭、斷面等水力因素，再用水力學公式計算流量。3、物理法

physicalmethod如，超聲波法；電磁法；光學法。特點：快速、連續(xù)、自動化程度高。84、化學法（或稀釋法）chemicalmethod

5、直接法directmethod如，容積法；稱重法特點：適應面窄。在河段上游投入的示蹤劑，隨水流經(jīng)過一定流程后在水中稀釋、混勻，但總量不變。常用的示蹤劑：化學鹽類、熒光染料、同位素等。9三、測站精度類別及測驗方式1、測站精度類別

一類站：干流水文站（大河控制站）。二類站：區(qū)域代表站。三類站：小河站。表4-1。

2、水位級劃分

水位級：高、中、低、枯水期。10水位級的劃分采用水文頻率計算方法：對一類站，采用年特征值法。用測站各年瞬時最高水位進行頻率計算，得90%頻率相應的水位作為高水位。用測站各年瞬時最低水位進行頻率計算，得10%頻率相應的水位作為低水位。水位級關(guān)系到測流的方法、測次等。用測站各年平均水位進行頻率計算，得50%頻率相應的水位作為中水位。11對二類、三類站，采用典型年法。用測站各年汛期總水量進行頻率計算，求10%、50%、90%頻率相應的年份為豐、平、枯三個典型年。分別用豐、平、枯三個典型年汛期逐日最高水位進行頻率計算，依次求10%、50%、90%頻率相應的水位作為高、中、低水位、。12用上述高、中、低水位劃分水位級，得到測站水情的4個時期（表4-2）?？菟诘退谥兴诟咚诙⑷惥日疽活惥日緶y站水情特征劃分133、測次的布置

豐、平、枯均有測次；

Z～Q關(guān)系轉(zhuǎn)折點處有測點；

Z～Q關(guān)系穩(wěn)定期少測，紊亂期多測；高、低水之間測次均勻。144、測流方法選用原則

精度要求；

測流安全；經(jīng)濟、方便。15習題131、測流的五類方法。2、流速面積法的原理、特點、種類。16第二節(jié)斷面測量

斷面測量包括水道斷面（channelcross-section）測量、大斷面（possiblemaximumcross-section）測量。

1、大斷面測量一、概述

大斷面：歷年最高洪水位以上0.5m～1.0m的水位以下的范圍。大斷面測量包括水下和水上部分的測量。17水上部分應測至歷年最高洪水位以上0.5m～1.0m

。對于漫灘大的河流，可只測至洪水邊；有堤防的河流，應測至堤防背河側(cè)的地面；無堤防而洪水漫溢至與河流平行的鐵路、公路、圍圩時，測至其外側(cè)。18大斷面測量時，水下部分測深垂線數(shù)目應滿足下表規(guī)定。注：水面寬小于平均水深的100倍的，為窄深河道；反之為寬淺河道。大斷面測量時水下部分最少測深垂線數(shù)目>25252015106寬淺河道窄深河道151515121065垂線數(shù)>10001000300100505<5水面寬m19大斷面水下部分測深垂線數(shù)布設(shè)還應符合下列要求：新設(shè)站或者河床轉(zhuǎn)折變化復雜的站測深垂線數(shù)適當增加。分布大致均勻，主槽陡岸邊、急劇轉(zhuǎn)折部位適當加密；斷面最深點應布設(shè)垂線；串溝和獨股水流的測深垂線不少于表中要求的一半；202、起點距測量起點樁一般設(shè)在左岸。若在右岸，應注明。起點樁測深垂線

soundingvertical2d3d1d起點距：斷面上某點到起點樁的距離。21起點距的測量方法：直接量距適用于水深小、流速小、斷面寬較小的河道。22涉水測流wadingstreamgauging

23水文纜道斷面索直接觀讀適用于水深大、流速大、斷面寬較大的河道。24水文纜道25全自動纜道設(shè)備

26SXH-1纜道智能測距儀由智能纜道測距儀和光柵增量編碼傳感器等部分組成。

可實現(xiàn)對測流鉛魚的出車、回車、下降、提升的位置測量、顯示，具有纜道弧度自動修正和測點自動停車、信號輸出等功能。配接相關(guān)通訊結(jié)口，可與計算機聯(lián)機運行。27儀器（經(jīng)緯儀、平板儀、六分儀）測角交會法28視距儀、定位系統(tǒng)裝置測定無線電定位法radiolocationmethod

在衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)之前，遠程導航與定位主要用無線導航系統(tǒng)，即無線電定位法。29無線電定位原理：C副臺B副臺A主臺P距離為的雙曲線距離為的雙曲線30利用雙曲線相交測定位置的無線電系統(tǒng)。它由發(fā)射臺（岸臺,至少3個）和接收臺（船臺）組成。幾何原理是：到兩個固定點距離差為常數(shù)的動點的軌跡，是以這兩個固定點為焦點的雙曲線。平面上兩條雙曲線就可確定一點。31

GPS定位法當斷面特別寬（5000m以上）時，架設(shè)過河纜道已不可能，而使用六分儀及其它光學儀器時，若霧大、光線條件不好、斷面間通視性不好時，為減小誤差，宜用GPS定位法。323、水深測量depthmeasurement水深測量的儀器：測深桿、測深錘、測深鉛魚、回深測深儀等。測深桿（soundingrod）測深測桿分為手持操縱和電動機械操縱兩類。33手持操縱測桿有三種：通用式（可單獨測深，又可輔助測流）單一測深式涉水用測桿

水深不超過3m，流速不超過2m/s時。水深不超過6m，流速不超過2m/s時。

適用于涉水測量的淺水河流。34測深錘（soundingweight）測深測深錘重量5～10kg。根據(jù)水深、流速大小選用相應重量。測深錘適用于流速不太大的情況。35鉛魚測深纜道測流速和水深

soundingbyelliptic-typeweight36測船上使用手搖絞車測深37有纜道或水文絞車設(shè)備的測站，使用鉛魚測深。鉛魚重量為100～750公斤，根據(jù)水深和流速的大小來配置不同重量。鉛魚測深方法：在鉛魚上裝有浮子式水面信號和托板式河底信號發(fā)生器。鉛魚入水時，浮子浮起，發(fā)出水面信號，懸索記數(shù)器開始計數(shù)。達到河底時，鉛魚底部的托板托起，發(fā)出信號，記數(shù)器終止計數(shù)，得出懸索計數(shù)長度。當懸索偏角很小時，此值即為垂線水深。38如水面偏角時，應對懸索計數(shù)長度進行偏角改正，求出垂線水深。39計數(shù)水深實際水深干繩改正數(shù)濕繩改正數(shù)纜索位移改正數(shù)鉛魚下放至河底時的偏角行車距離水面高差鉛魚下放至河底時的偏角40干繩長度改正條件0.030.040.060.100.160.280.64懸索支點至水面的高差與測得水深的比值400350300250200150100鉛魚在河底時的懸索偏角41回聲測深儀利用聲波反射的信息測量水深的儀器。

當聲波遇到障礙物而反射回換能器時，根據(jù)聲波往返的時間和所測水域中聲波傳播的速度，求出障礙物與換能器之間的距離。超聲波測深儀是其中的一類。42SSH型便攜式超聲波水深儀

ultrasonicsounder

測深時，將超聲波換能器置于水面或一定位置。根據(jù)超聲波在水中的聲速和超聲波發(fā)射到接收的時間，儀器自動換算出水深。43大斷面測量記載表

水系河站大斷面測量記載表測量日期天氣斷面名稱儀器型號時分水尺編號水尺讀數(shù)m始終測點儀器站號距離m后視

m前視

m間視

m間距起點距高差

m平均高差測深時水位

m水深m第一次第二次高程

m＋－＋－44后視、前視、間視：水準尺讀數(shù)。后視、前視的上下兩欄為水準尺黑面、紅面讀數(shù)。填表說明：高差：后視減前視（或間視）。平均高差：高差上下兩欄的平均值。水位變化小于5cm時，在同一岸觀測始、終水位，取其平均值作為計算水位。測深時水位：水準點高程加平均高差。45正常水面寬在5m以下時，起點距記0.01m，5m以上記至0.1m。采用測深桿、測深錘或鉛魚測水深時，應在垂線上測深兩次，取其平均值作為實測水深。水深大于5m時，記至0.1m，水深小于5m時，記至0.01m。水位變化大于5cm時，應在各垂線測深時觀測水位。計算各測點河底高程時，用相應觀測的水位作計算水位。46水道斷面測量記載表

水系河站水道斷面測量記載表角度測深時間起點距實際水深懸索偏角一岸實測水位漲落改正斷面名稱：施測號數(shù)：施測時間：年月日時分至時分施測方法：測深起點距基線編號：起點距計算公式：風力：風向：水面情況：水位：左岸右岸始終計算水位基面垂線編號測量整理ⅠⅡ平均偏角改正數(shù)橫比降改正數(shù)應用水深河底高程47橫比降改正：橫比降超過5cm時，填寫該項。填表說明：懸索偏角：用鉛魚測深時，觀測該項，偏角記至度。角度：測量起點距時，儀器視線與基線的夾角。實際水深：采用測深桿、測深錘或鉛魚測水深時，應在垂線上測深兩次，取其平均值作為實測水深。483、水道斷面面積計算

左右岸邊部分按三角形計算，中間部分按梯形計算。由測深垂線將斷面垂直分塊。3h494、大斷面面積計算

采用水平分塊方法，計算各水位下的面積。大斷面水位斷面關(guān)系曲線50習題131、大斷面、大斷面測量的內(nèi)容。2、起點距、起點距測量的方法。3、水深測量常用的器具。4、水深測量時，什么條件下考慮偏角改正？如何改正？

51第三節(jié)流速脈動、流速分布

一、流速脈動

velocitypulsation

流速脈動紊流時，空間點的瞬時流速隨時間隨機變化的現(xiàn)象。52

對穩(wěn)定流，空間點的瞬時流速隨時間變化，但在相當長的時間內(nèi)，空間點的時間平均流速是穩(wěn)定的。脈動強度反映空間點流速脈動強弱的量。河道橫斷面脈動強度規(guī)律：河底大于水面，岸邊大于中泓。53二、斷面流速分布

cross-sectionvelocitydistribution流速分布：點流速在斷面上的變化規(guī)律。研究流速分布，對流量、泥沙的測量意義較大，也對分析河床演變具有意義。1.00.80.60.5541、垂線流速分布

verticalvelocitydistribution

垂線流速分布可用不同線型擬合。常用的線型：拋物線型、對數(shù)型、指數(shù)型等。垂線流速分布流速沿水深方向上的變化。552、橫斷面的流速分布河底、岸邊流速?。恢秀魉僮畲?；暢流期，垂線上的最大流速出現(xiàn)在小于0.2倍水深處，冰期相對下移。1.00.80.60.556三、流向測量

1、流向flowdirection斷面上某點水流的運動方向與斷面線的法線的夾角。斷面線adeflectionangleofflow57以下幾種情況需要測定流向：新設(shè)的水文站，在決定斷面線前。

有斜流或流向變化較大時測流。

海洋或湖泊測流。

河流上建筑橋梁、研究治河建筑物對水流自然規(guī)律的影響、設(shè)計布置水工建筑物、研究河道沖淤及河床變形時。582、流向資料的整編

垂線平均流向meanflowdirectionatavertical

垂線平均流向的確定：點流向垂線平均流向分布水深部分流速部分流向水深垂線平均流速分布點流速59斷面平均流向meanflowdirectionatacross-section

采用矢量合成法，確定斷面平均流向。3條測速垂線矢量合成法斷面平均流向60第四節(jié)流速儀

流速儀類型：轉(zhuǎn)子式、非轉(zhuǎn)子式流速儀。一、非轉(zhuǎn)子式流速儀超聲波流速儀ultrasoniccurrentmeter

電磁波流速儀electromagneticcurrentmete光學流速儀opticalcurrentmeter電流波流速儀electricwavecurrentmeter61SVR手持式雷達電波流速儀主要用于野外巡測和洪水、潰壩、決口、截流、污水等應急測量，尤其適用于汛期搶測洪峰和突發(fā)情況下監(jiān)測污染水。依據(jù)的原理是多普勒效應。62監(jiān)測人員運用電波流速儀測速

63二、轉(zhuǎn)子式流速儀

rotating-elementcurrentmeter旋杯式流速儀cup-typecurrentmeter旋漿式流速儀propeller-typecurrent-meter兩類轉(zhuǎn)子式流速儀641、原理

檢定公式calibrationequation

起轉(zhuǎn)流速臨界流速參數(shù)總轉(zhuǎn)數(shù)測速歷時轉(zhuǎn)速流速儀檢定曲線652、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子、身架、尾翼、測桿或懸索、信號部分、鉛魚、記錄裝置。通用智能流速計數(shù)器663、流速儀性能

旋杯式流速儀的旋轉(zhuǎn)阻力很小，低、中速時特性曲線的直線性能很好，但高速性能比旋槳式流速儀差。不宜多沙河流測流。旋槳式流速儀適合在汛期高流速、高含沙量和有水草的惡劣條件下使用。67旋杯式流速儀的旋杯無方向性（感應的流速為水的實際流速），而旋槳式流速儀的旋槳有方向性（只能感應水的實際流速沿流速儀軸向上的分量）。當有斜流時，若采用懸索吊掛，因為有尾翼迎合水流方向，兩種流速儀測得的流速相同；但采用懸桿吊掛時，尾翼不起作用，兩種流速儀測得的流速不相同：旋杯式流速儀測得的流速較大，應進行偏角改正；旋槳式流速儀，則不需要進行偏角改正。68流速儀兩種懸掛方式69偏角改正：斷面線方向

704、流速儀測速誤差來源檢定誤差verificationerror流速儀的檢定：在橫斷面均勻一致的直線靜水槽中，以各種穩(wěn)定速度牽引流速儀，測定檢定車的速度和流速儀轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從這兩組數(shù)據(jù)中，用方程式或圖表建立相關(guān)關(guān)系。71檢定誤差：流速儀檢定水溫一般為20±50C。流速儀檢定時采用懸桿懸掛。

由儀器檢定環(huán)境同天然河流情況不同引起。如，水的流態(tài)、水質(zhì)、水溫、儀器懸掛方式等不同。72儀器性能誤差因轉(zhuǎn)動慣性，儀器不能快速響應水流速變化；轉(zhuǎn)動過程中，摩擦影響低速性能；多發(fā)或少發(fā)信號；儀器定向偏差。要求：淺水時，采用測桿懸掛；深水低速時，采用靈敏的轉(zhuǎn)軸懸掛；深水高速時，采用萬向接頭和十字尾翼懸掛。73習題141、流速脈動及其特點。2、斷面流速分布及其特點。3、垂線流速分布。4、流向。如何確定斷面平均流向？

5、流速儀的類型？

6、轉(zhuǎn)子式流速儀的結(jié)構(gòu)及其測速的原理式？

7、旋杯式流速儀與旋漿式流速儀測速性能比較。8、轉(zhuǎn)子式流速儀測速的誤差來源。74第五節(jié)流速儀法測流一、測流原理

75二、工作內(nèi)容

水深、起點距、點流速、流向、水位等的測量。76三、流速測量

1、測速垂線布設(shè)

布設(shè)原則：控制流速、水深的橫向轉(zhuǎn)折變化，保證測速精度。>138～138～137～96～853～5常測法>2515～2515～2012～151065精測法>10001000300100505.0<5.0水面寬772、測速方法

根據(jù)垂線數(shù)目、測點多少分類精測法常測法簡測法特殊水情下測流方法（洪水暴漲暴落，變動回水影響，流冰嚴重等）。經(jīng)常性測流方法。多點多線，為積累資料。78根據(jù)測速方法不同分類

積點法point-integratingmethod

積深法depth-integratingmethod

流速儀在測速垂線上測定各測點流速，再計算垂線平均流速。

流速儀沿測速垂線勻速提放，測定垂線平均流速。

（用測船或纜道等拖帶）流速儀勻速橫渡測流斷面，施測不同水層的平均流速。

積寬法width-integratingmethod793、測速歷時velocitymeasuringduration

綜合考慮上述兩點，合理選擇測速歷時：一般情況下，每個測點的測速歷時為100秒，特殊水情下，不應少于30秒。測點流速脈動，要求測速歷時相當長。測點流速的變化，要求測速歷時相對短。80四、流量計算

1、計算垂線平均流速（meanvelocityatavertical）一點法：（0.6為測點相對水深）

0.80.60.20.01.081兩點法：三點法：五點法：822、計算部分平均流速

中間：兩邊：岸邊流速系數(shù):光滑陡岸邊取為0.9；不平整的陡岸邊取為0.8；一般情況下，取為0.7；死水邊取為0.6。833、斷面流量計算

84五、相應水位計算

1、相應水位

equivalentstage

與一次完整地測流過程計算出的流量相等的瞬時流量對應的水位。2、計算方法算術(shù)平均法第條垂線測速時的水位 85部分流量加權(quán)法其中，加權(quán)平均法86第六節(jié)幾種測流方法87測船測流8889大汶口水文站測流90一、浮標法測流

1、適用條件

大洪水期，或水面漂浮物較多，使用流速儀測流困難時一種簡易的測流方法。2、測流原理

虛流量折算系數(shù)913、測定

計算浮標漂浮速度（虛流速），測量水道斷面面積，再計算流量。起點距92計算步驟：計算各浮標虛流速。繪制虛流速橫向分布曲線圖。查算各測速垂線流速，計算相鄰測速垂線間部分面積及平均流速。計算斷面虛流量。計算斷面流量。93二、超聲波法流速

（一）原理利用超聲波在水中傳播特性。（二）分類

時差法；頻差法。941、時差法

timedifferencemethod利用超聲波順流向與逆流向傳播時間不同來測速。AB→AB→ABqL95需要在不同水深處安裝換能器，以測量不同水層的水流平均流速。96測速精度受到水流速、含沙量、水流穩(wěn)定性、流向、水溫等因素的影響。不適用于高速、高含沙量的河段，因在高速、高含沙量的水流中，超聲波的傳播性能不好。972、頻差法

timedifferencemethod利用超聲波順流向與逆流向傳播頻率不同來測速。聲束與水體中顆粒流速之間的夾角為換能器發(fā)射的超聲波頻率為水流速水體中顆粒換能器聲速98換能器僅測量與聲束平行的速度。換能器聆聽到的頻率與其發(fā)射的聲束頻率之差為則水流速99第七節(jié)ADCP測