断面流量测验方法对比研究

摘 要：研究目前常用的断面流量测验方法，对于提高流量测验精度，简化流量测验方法，提高工作效率有指导意义。本文对三种常见的流量测验方法进行对比研究，将各种方法的适用范围、优缺点进行综合分析，以期为断面流量测验方法的改进指明研究方向。

关键词：断面流量 测验 对比

1引言

流量测验是水文、水利及工程建设中极为重要的一项工作内容，流量测验成果是极其宝贵的工程设计依据，也是确定水资源分配和管理的必备资料^[1]。 河流流量测量是防洪预报、水资源管理和水质量控制、水库管理、国家水资源结构、水资源保护、水利运输发展调查和河床演变发研究等不可缺少的条件。流量测验 成果质量的高低，是衡量一个水文站工作好坏的主要标志。在实际工作中流量测验占用了水文职工的大部分时间，特别是大洪水期流量测验，劳动强度大又不安全。 所以，迫切需要我们对流量测验方法做改进研究^[2]。

2几种常见断面流量测验方法

断面测量测验的方法很多，常用的方法为流速面积法，其中包括流速仪测流法、浮标测流法、比降面积法等，这是我国目前使用的基本方法。此外还有水力学法、化学法、物理法、直接法等^[3]。下面主要介绍流速仪法、浮标法、ADCP测流法。##end##

 2.1流速仪法

流速仪法测流是一种比较古老的测流方法，它具有成熟的实际经验，成果可靠，使用广泛，而且常作为一种基础方法与其他测流方法对比^[4]。

流速仪测流原理：

                                                          (2-1)

                                                           （2-2）

式中：—测点流速，m/s；  —测速时段历时，s； —测速时段内旋桨的总转数，r；

      —流速仪旋桨转速，r/min； —流速仪的倍常数，m/r；—流速仪的摩阻系数，m/s。

流速仪法虽具有较好的可靠性，但有以下缺点：（1）耗时耗力，流速仪是静态方法，河流断面只布设多条垂线，流速仪固定于水中不同深度逐点施测，一般采用二点法或五点法，一个点100s，按公式求出流速，再求出垂线流速，并且要求测流断面通常要求垂直于河岸，平稳入水，避开风浪和循序渐进施测；（2）安全性较差，实践中，要求普通吊车或水文测船将水文工作者和流速仪运送到指定测量点，然后由水文工作者现场操作测量，在潮汛或洪水时期，根本无法使用，适用河流流速较小时。

2.2浮标法

浮标法测流是一种简便有效的流量测验方法，当测站出现较大洪水或者水面漂浮物较多，可以 使用浮标测流法；当流速很小、水深较小使流速仪的灵敏度无法达到要求时，也往往需要水面浮标法进行测验流量。浮标法有水面浮标、浮杆、双浮标等多种形式， 一般情况下，浮标法的测流精度较流速仪法测流的精度低。

原理：浮标法要设置上、中、下 3 个断面，从上游投放浮标，测定其流经上下断面的历时和经过中断面的位置；以上下断面间距除以历时来求得浮标流速，再乘以系数，可求得垂线平均流速；接着用类似流速仪法的步骤，计算部分流量与断面流量^[5]。

                                                                 （2-3） 式中：—为断面流量，/s； —为浮标测流河段的断面平均面积，，F查阅历史资料可以获得； —为浮标系数； —为浮标平均流速，m/s。

由浮标在单位时间t内，从一断面到下一断面之间距离L确定，L由岸边的水文工作在岸边通过经纬仪读出并计算。

浮标测流法的主要缺点则是：（1）准确度较差，人工读数主观性较强，且受环境影响较大，容易产生视差，如上图；(2)断面面积受河流冲淤影响，容易产生误差；（3）浮标系数是一个多因素影响的综合参数，与河流的水力因素、气候因素及浮标类型等有密切关系，在不同的情况下选用不同的浮标系数，不容易确定，现在一般采用半经验半理论系数。

2.3 ADCP测流法

ADCP（声学多普勒流速剖面仪）测流技术的发明被认为是河流测量领域的一次革命，是近年来国际上流行的一种新的流量测量方法，分为走航式和固定式，是现行测流方法中最为先进的测流方法。

ADCP测流原理：通过按一定规则排列的4个 声波换能器向水中发射脉冲声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。假定水体中颗粒物与水体流速相同，依据反射信号的多普勒频移计算颗粒物沿声束方向 的移动速度；利用测河底脉冲测量水深及测船相对于地球的速度矢量，取两者矢量差值就是测量的流速矢量。用航行速度乘以时间可计算出水面宽。有了水深、水面 宽和流速即可计算流量^[6]。

                                                                     (2-4)

                                                                         (2-5)

式中：—为声学多普勒频移；—发射声波频率；—为水中颗粒沿声速方向的移动速度；

      —为声波在水中的传播速度。

ADCP测流具有瞬时快速、精度较高、方法简单、计算工作量少、有流向判别等优点。但也存在如下缺点：（1）价格昂贵，单价十几万到几十万，不利于其大规模投入使用，现在国内使用有限；（2）河底走沙条件下，ADCP的“底跟踪”方式测得船舶相对于河底的速度严重失真，导致流量测验不准确；（3）在高含沙量区域，回波强度衰减快，测流易失败；（4）ADCP存在盲区，表层、底层以及两岸的非实测区的测量还有待提高。

3 测验方法比较

主要从方法原理、优缺点、适用范围三个方面进行比较分析，如下表3—1。

表3-1 常见流量测验方法比较表

 由上述表格对比分析可知，浮标法在现行水文测验中使用最为广泛，其操作简单，适用范围大，但需要人为操作，精度较差；而ADCP是水文测量走向自动化重要仪器，其测量精度相对前者有较大提高，但在站址要求上较为局限，其在后期还需进一步改善；流速仪法具有成熟的实际经验，成果可靠，使用广泛，而且常作为一种基础方法与其他测流方法对比，但耗时耗力、安全性较差。

4 结论与展望

综 上所述，目前在断面流量测验中存在的核心问题是流速测量的精度与安全性、可操作性以及经济性不相适应的问题。近年来，不断有人将新的技术方法引入，尤其是 随着计算机技术的飞跃发展。解决的方向是将高精度的测速技术特别是声测速技术和光测速技术应用到测流装置上，并引用数据控制、传输和计算系统，即时对测流 装置进行远程控制，实现可回收多次使用，降低使用成本；对测得的数据进行实时的传输和计算，提高自动化程度和安全性。

目前，断面流量测验方法及其改进和新的测验方法尝试，虽然还不能充分的解决高洪流量测验中存在的难题，但其研究已经有了一定的理论基础。随着科学技术的发展与断面流量测验方法的实践，为断面流量测验的研究提供了更多新的思路和发展途径，但还需要总结经验与实践检验。将传统的测流方法原理与现代高新技术相结合的精确、安全、经济、可靠的测流装置的研究是江河测流技术今后一个时期的研究重点方向。

参考文献

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[2] 石玉和，石元旭.用正交试验法优选测流方案[J].科技信息，2008,21:231～234.

[3] 赵志贡，岳利军，赵彦增等.水文测验学[M].黄河水利出版社，2005.

[4] 李效贤.大型渠道超声波法与流速仪法测流比对试验[J].中国农村水利水电，2006,8：107～108.

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[6] 冯建军.ADCP原理及数据处理方法[J].港工技术，2007，3：53～55.

[7] 王金奎，蒋晴霞，谢世民.当代国外江河测流技术.长办水文处情报组.42～51.

[8] 刘双林，宋树东.ADCP定点测流方法应用.人民长江，2009,10（20）:79～81.

[9] 韩友平，黄双喜，魏进春.ADCP在长江内河流量比测试验与精度研究.水利水文自动化，2005,3:1～12.