流速仪测流法

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
第一章流速仪测流法
第一节流速仪测流的基本方法
与测线布设
流速仪测量河渠流量是利用面积～流速法，即用流速仪分别测出若干部分面积的垂直于过水断面的部分平均流速，然后乘以部分过水面积，求得部分流量，再计算其代数和得出断面流量。

从水力学的紊流理论和流速分布理论可知，每条垂线上不同位置的流速大小不一，而且同一个点的流速具有脉动现象。

所以用流速仪测量流速，一般要测算出点流速的时间平均值和流速断面的空间平均值。

即通常说的测点时均流速、垂线平均流速和部分平均流速。

（一）基本方法
流速仪测流，在不同情况或要求下，可采用不同的方法。

其基本方法，根据精度及操作繁简的差别分为精测法、常测法和简测法。

1.精测法：
精测法是在断面上用较多的垂线，在垂线上用较多的测点，而且测点流速要用消除脉动影响的测量方法。

用以研究各级水位下测流断面的水流规律，为精简测流工作提供依据。

2.常测法：
常测法是在保证一定精度的前提下，在较少的垂线、测点上测速的一种方法。

此法一般以精测资料为依据，经过精简分析，精度达到要求时，即可作为经常性的测流方法。

3.简测法：
在保证一定精度的前提下，经过精简分析，用尽可能少的垂线、测点测速的方法叫简测法。

在水流平缓，断面稳定的渠道上可选用单线法。

（二）测线布设
测流断面上测深、测速垂线的数目和位置，直接影响过水断面积和部分平均流速测量精度。

因此在拟订测线布设方案时要进行周密的调查研究。

国际标准规定，在比较规则整齐的渠床断面上，任意两条测深垂线的间距，一般不大于渠宽的1/5，在形状不规则的断面上其间距不得大于渠宽的1/20。

测深垂线应分布均匀，能控制渠床变化的主要转折点。

一般渠岸坡脚处、水深最大点、渠底起伏转折点等都应设置测深垂线。

测速垂线的数目与过水断面的宽深比有关。

精测法的测速垂线数目与宽深比的关系式为：
B
N0=2
D
式中：N0——测速垂线数目；
B——水面宽；
D——断面平均水深。

常测法的垂线数目与宽深比的关系式为：
B
N0=
D
简测法的测速垂线数目及其布置，应通过精简分析确定。

主流摆动剧烈或渠床不稳的测站，垂线不宜过少，垂线位置应优先分布在主流上。

垂线较少时，应尽量避免水流不平稳和紊动大的岸边或者回流区附近。

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
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：
H j =h ±Δh j
式中： H j ——第h 条垂线处的实际水深；
h ——水尺读数；
Δh j ——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：
V m =
D
1
D
Vdy
式中： V m ——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：
V η=V m （1.116+0.267lg η）
式中：η——相对水深，η=y/D ，y 为自渠底算起的测点深；
V m ——垂线上相对水深η处的流速；
V m ——垂线平均流速。

以V m =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V m =1时，η与V 的关系
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：
V m =V 0.6
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：
V m =
2
8
.02.0V V + 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：
V m =
3
8
.06.02.0V V V ++
或：
V m =
428
.06.02.0V V V ++
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：
V m =
10
2330
.18.06.02.00.0V V V V V ++++
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
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：V m1、V m2……V m （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：
V 2=21（V m1+V m2）
V 3=2
1
（V m2+V m3）
… … … …
水边部分平均流速（V 1或V n ），等于近岸测线的垂线平均流速（V m1
或V m （n-1））乘以岸边流速系数α：
V 1=αV m1 V n =αV m （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：
f 2=21
（D 1+D 2）b 2
f 3=2
1
（D 2+D 3）b 3 … … … …
两水边部分面积为：
f 1=21D 1b 1
f n =2
1
D n-1b n
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：q 1、q 2、q 3……q n ，则：
q 1=V 1×f 1 q 2= V 2×f 2 q 3=V 3×f 3 … … … q n = V n ×f n
6.计算断面流量：各个部分流量之和即为断面流量（Q ）：
Q=∑=n
i qi 1
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
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
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=n m m d x ⨯+α22
式中： m ——断面流量随机误差的综合值；
m x ——用多线少点资料精简垂线的误差；
m d ——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＞n
i q q ，其中i q 为部分流量的均值，采用总流量除以垂线数，q n 为最大部分流量。

综合系统误差：
X Q=X d+X x
式中：X Q——断面流量的综合系统误差；
X d——精简测点使流量产生的系统误差；
X x——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、一线三点法等精简方案。

步骤如下：
（1）选几种中高水位的精测法（或常测法）资料，绘综合断面图及V m/V（垂线平均流速与断面平均流速的比值）横向分布曲线。

选择V m/V比较稳定的几个部位，作为初步拟定单位流速（V0）的分析位置；
（2）在上述初步确定部位附近，取测速垂线的全部测速资料，摘出各垂线和测点的实测流速，计算单位流速（一线一点法、一线两点法或一线三点法等）；
（3）以各次精测法（或常测法）的断面平均流速与单位流速点绘关系图，通过点群重心绘出关系线。

该关系线一般为直线，用图解法定出直线方程，即为断面平均流速（V）与单位流速（V0）的换算公式：
V=aV0+b
式中：V——断面平均流速；
V0——单位流速；
a——系数（直线斜率）；
b——常数（或直线的截距）。

（4）用精测法（或常测法）的断面平均流速与换算公式计算的断面平均流速相比较，进行误差分析，若各项误差符合表6中的规定，则精简方案成立。

表6 简测法的误差界限
第五节流速仪的使用与保养
正确地使用与保养流速仪，对测速成果质量和仪器的使用寿命都有很大影响，测流人员必须对此给予足够的重视。

（一）测流仪的安装
1.旋桨式流速仪的安装
（1）打开仪器箱盖，拨开转动部分的压栓，轻轻取出身架部件；
（2）拧松身架侧面的固轴螺丝，取出旋桨部件；
（3）向身架腔注仪器油，油量为孔高的1/3；
（4）将旋转部件插入身架孔中，使前轴套与身架之间保持0.3～0.4mm 的间隙。

一般只要把旋桨部件插入到底即可。

如果间隙太小，有磨边现象，
则应把旋桨部件稍拨出一些。

待调整正确后，即可把固轴螺丝固紧。

固紧螺丝时应注意勿用力过猛，以免顶斜旋轴。

2.旋杯式流速仪的安装
（1）打开仪器箱盖，手持轭架取出仪器；
（2）松开轭架顶螺丝，卸下旋盘固定器；
（3）在顶头内注满仪器油，装上顶针，调好旋盘轴向间隙固紧轭架顶螺丝。

旋盘轴向间隙为0.03～0.08mm，手感旋盘沿轴向有轻微活动间隙即可；
（4）装上尾翼，将平衡锤调节在适当位置固紧，使仪器在水中保持水平。

（二）流速仪养护的一般规则
小心地使用和仔细地养护，可保证流速仪正常地、可靠地工作，并且获得可靠的流量资料。

为此，应注意下列规定：
1.仪器及全部附件应完全良好和清洁地保存在仪器箱内，并放置在干燥、通风的房间柜中；
2.拆卸、清洗及安装仪器以前，必须通晓仪器的结构和拆洗方法；
3.仪器各部分均不能任意碰撞，旋杯、旋桨、旋轴、轭架等尤须注意；
4.顶针、顶窝、球轴承等易锈零件，必须经常加仪器油；
5.仪器油使用HY—8（8号仪表油），不得任意改用其它粘度的油类；
6.仪器安装好后，要轻提轻放，防止快速空转，以保证其性能稳定；
7.仪器工作完毕出水后，应立即就地用干毛巾擦干水分。

如仪器上有污物或泥沙，要先用清水冲洗干净，然后擦干。

卸成原来的各部件，妥善地
安置在仪器箱内指定的位置。

旋杯式流速仪要把顶针卸下，转上旋盘固定器；
8.关闭箱盖时，务必小心，不宜过猛。

如遇关闭不平服时，应立即检查内部安放情况，决不可硬压；
9.仪器长期储藏不用时，易锈部件（如轴承、顶针等）必须涂以黄油保护。

（三）仪器的检查与检定
新领到或检定回来的仪器，应当进行全面检查，特别要注意有无检定公式，检定书号码与仪器号码是否一致，部件是否齐全，旋转是否灵敏，讯号是否正常等等。

灵敏度的试验，就是将仪器按规定装好后，手持仪器身架，吹动旋桨（旋杯），观察其转动情况。

如果启动灵活停止徐缓，没有跳动或突然停止现象，说明灵敏度正常，如发现仪器运转不正常时，应对有关部件进行检查，重新安装或拆洗，必要时做简单修理。

如故障较重时，需送交检修站维修。

流速仪使用时间过长或有损坏，为保证流速公式的可靠性，必须进行检定。

一般情况下，流速仪发生下列问题之一时应停止使用，进行检定：
1.旋转不灵；
2.旋转部件变形；
3.轴承锈蚀严重或顶针、顶窝有显著磨损；
4.仪器使用中实测流速超过允许的最大流速范围；
5.经与性能好的仪器比测，确认误差过大的；
6.正常使用2—3年的（有效工作时间300小时）。

第六节岸边流速系数
岸边流速系数是流速仪施测中由岸边测线的垂线平均流速推算岸边部分平均流速的一个折算系数。

流量测验规范规定, 若无实测资料，可采用以下参考值：
规则土渠的斜坡岸边：α=0.67～0.75
梯形断面混凝土衬砌渠段：α=0.8～0.95
不平整的陡岸边：α=0.8
光滑的陡岸边：α=0.9
死水边：α=0.6
两岸边视实际情况，岸边流速系数可采用不同数值。

灌溉渠道中的梯形断面渠道符合规范要求的条件,但选用上述给定的α值。

往往与实际不符。

实测表明,一般可引起实测流量2％～4％的误差。

岸边流速系数的大小与渠道的断面形状、渠岸糙率、水流状态及水边宽度等有关。

岸边流速系数选值不当引起的误差, 实际上是由测速垂线数目不足导致的误差,消除的方法就是采用实测的岸边流速系数值。

岸边流速系数的实测, 即在测流断面上的近岸基本测线与水边之间,采用加密测线的方法,精测边角部分的流量和边角面积,求出边角部分平均流速,据此推算出实测的岸边流速系数。

具体方法如下:
1. 如图2所示。

在测流断面基本测线D1与水边之间布设若干加密测线h1、h2、h3、……、h n。

加密测线的间距一般为水边宽的1/10～1/5。

2. 在近岸基本测线及各加密测线上,按精测法的要求测速。

最边一条测线h n,可用一点法。

3.计算相邻测线间的部分流量q i。

水边余角的部分流量计算, 仍需选用规范的岸边流速系数,由于余角很小,此时岸边流速系数的影响甚微,可忽略不计。

4. 计算边角部分总流量Q边和总面积ω边及边角部分平均流速V边:
Q边=∑q i (i=1,2,……,n)
ω边=∑ωi (i=1,2,……,n)
V边=Q边/ω边
5. 求出岸边流速系数实测值:
α=V边/V1
式中: V1---近岸基本测线D1的垂线平均流速。

依上述方法, 实测不同水位的岸边流速系数。

当积累了足够的资料时,
一般不少于8次，采用格拉布斯法则对实测数据进行判别,剔除异常数据后,其平均值即为岸边流速系数最佳值。

在测流中采用,可消除由于岸边流速系数取值不当所引起的系统误差。

第二章水工建筑物量水流量系数的率定
利用水工建筑物量水是一种简单经济的量水方法。

通常灌区用以量水的建筑物多以堰闸为主。

堰闸量水首先要根据不同的闸型，水流形态，选择适当的流量计算公式。

然后根据观测的有关变量进行推流。

对于某一特定的量水建筑物，在选定了流量公式以后，其量水精度的关键是流量系数。

实际工作中，采用水利学中流量系数的理论值推流往往与实际流量不符。

这主要是由于水利学中流量公式推导时考虑的是有效水头H0，而流量测验推流时则只考虑实测水头H，忽略了行近流速V0产生的流速水头aV02/2g 的影响，流速水头虽然在水尺上观测不到，但实际上对过水流量起着作用。

另外，由于工程条件和水流条件的限制，水尺有时不能按要求的位置安设而影响实测水头。

因此，率定堰闸的流量系数，对提高其量水精度是非常必要的。

一、实测率定方法
用流速仪率定量水建筑物，要在建筑物上（或下）游水流稳定的平直渠段上设置测流断面。

（一般设在建筑物下游100—300米处）。

在用流速仪测流的同时，观测与堰闸过水流量有关的相应项目。

对于无闸自由流，只需观测上游水位；无闸潜流需观测上游水位和下游水位；有闸控制流态，则需观测闸前水位、闸后水位和提闸高度等。

率定工作需在渠道流量稳定时进行，以免因水位大起大落而影响测流精度。

水位观测应在流速仪施测的始末各观读一次，若变化不大，可取其平均值作为相应水位。

二、率定资料的分析
1、堰闸量水流量系数的分析：
判别流态，选择适当的公式后，根据实测流量及相应水位，推求实测的流量系数值。

实践表明，流量系数是随上、下游水位、提闸高度等因素变化而变化的。

不同流态的流量系数有不同的流量公式和相关因素见表7。

因此在率定时，也要作相应处理。

表7 堰闸出流的流量公式及流量系数相关因素
式中：Q—过闸流量（米3/秒）；
H—上游水深或闸前水深（米）；
B—堰闸宽度（米）；
Z H—上、下游水位差（米），Z H=H-h H
h H—下游水深（米）；
h g—提闸高度（米）；
Z1—闸前、闸后水位差（米），Z1=H-h1；
m、mˊ、μ、μˊ—流量系数；
ｇ—重力加速度，ｇ=9.81米/秒2；
ε—垂向收缩系数，平底闸：ε=0.65；
闸后有跌坎：ε=0.5
根据不同情况，率定资料的分析方法一般有以下几种：
（1）、流量系数曲线（公式）法：
在积累了足够的（一般在30测次以上）各级水位的率定资料后，可点绘流量系数与相关因素的关系曲线。

或用回归分析法，利用计算机分析出流量系数与相关因素的关系式。

将分析出的曲线或公式同实测资料相比较，进行误差计算分析，若各项误差不超过允许限值（见表8），即可用于推流。

表8 量水建筑物率定误差限值
（2）、流量系数分级处理法：
由于灌溉渠道中流量的计划性较强，在一定时期内的流量变化不大，因此不容易测得全水位级的率定资料。

有时由于用水计划的要求，某些堰闸的过水流量总保持在某一、二个水位级。

这种情况，可以采用流量系数分级处理法。

即将同一级水位的流量系数率定数据通过格布拉斯（Grbbus）法则检验后，舍弃异常点据，求其算术平均值，作为这一级水位时的流量系数率定值。

应用其推流时，应注意不同流量（或水位级）要采用相应的流量系数率定值。

关于水位分级，应根据具体情况，通过点绘散点图来分析确定。

石津灌区用于量水的水工建筑物全部率定出了较稳定的量水流量系数值或流量系数公式。

表9为部分闸的流量系数实测率定值与理论值的比较，相对误差在±0.8%—±26.7%之间，由此可见，用流速仪率定流量系数对提高建筑物量水精度有较大的意义。

表9 建筑物流量系数的理论值与率定值比较
2、堰闸流量公式的逐步图解法
在用于量水的建筑物中，经常遇到有些堰闸（特别是枢纽工程）的进口型式、翼墙型式、水流形态以及水尺位置等条件与水力学理论要求的应用条件差异较大，流量系数与相关因素的关系紊乱，呈非单一函数形式。

这种情况下不能直接利用水力学理论流量公式去推流。

这就需要重新分析堰闸流量与水头的相关关系。

对于这种情况，可根据实测资料，采用逐步图解法分析建立堰闸的经验流量公式。

逐步图解法是以水利学流量公式为基础，从统计学观点出发，并根据
逐步回归分析方法的思路，对各水利因素综合考虑，逐步消除公式各自变量对因变量（Q）的影响，建立新的流量公式。

以有闸自由流为例，说明其分析方法。

有闸自由流的水力学流量公式为：
Q=MBh g H
式中：M—流量系数
M=μg2，其余符号意义同前。

公式中，闸宽B为常数，流量Q（因变量）的大小随提闸高度h g（自变量）的1次幂和上游水头H（自变量）的1/2次幂而变。

考虑到实际情况下的水头、行近流速、进口型式、闸墩、底坎几何尺寸等多种控制因素的影响，其水力要素和边界条件可能与水力学理论上要求的不一致，流量Q 与提闸高度h g和闸前水头H的关系可能发生变化。

根据这一思路，先选取实测资料中与因变量（Q）有关的一个自变量（H），在双对数纸上点绘相关图H—（Q/Bh g），消除它（H）对因变量（Q）的影响后，得到Hβ1；再点绘第二个自变量（h g）与Q的相关图h g（Q/BHβ1），消除它（hg）对因变量（Q）的影响，得到h gα1，并据以验证第一个自变量（H）与因变量（Q）的相关关系。

这样经过反复验证，直至得到新的公式Q=M0Bh gαHβ满足精度要求为止。

新公式中：
M0 —消除影响因素后的流量系数；
α、β—消除影响因素后的指数；
利用此方法建立了总干紫城节制闸等几个较大测站的闸门量水经验公式。

经实测验证，新公式的量水精度较高，平均误差都在±2%以内。

三、测流资料数据分析系统简介。