第三章流量测验

第三章流量测验第一讲流量是单位时间内流过江河某一横断面的水量，单位m3/s。

流量是反映水资源和江河、湖泊、水库等水量变化的基本资料，也是河流最重要的水文要素之一。

流量测验的目的是取得天然河流以及水利工程调节控制后的各种径流资料。

河名地点流域面积（万Km2）最大流量Qmax（米3/秒）最小流量Qmin（米3/秒）多年平均流量Q（米3/秒）密西西比河美国322 76500 3500 19100长江湖北宜昌101 70600 2770 14000伏尔加河苏联146 67000 1400 8000多瑙河欧洲117 10000 780 6350黄河河南花园口68．0 22000 145 1300淮河安徽蚌埠12．1 26500 0 852新安江浙江罗桐埠1．05 18000 10．7 370永定河北京卢沟桥44 2450 0 28．2由此可见，天然河流的流量大小悬殊，如我国北方河流旱季常有断流现象，受自然条件和其它因素的影响，使得江河的流量变化错综复杂。

为了研究掌握江河流量变化的规律，为国民经济发展服务，必须积累不同地区、不同时间的流量资料。

因此，要求在设立的水文站上，根据河流水情变化的特点，采用适当的测流方法进行流量测验。

一、流量测验方法的分类目前，国内外采用的测流方法和手段很多，按测流的工作原理，可分为下列几种类型：1．流速面积法常用的有流速仪测流法、浮标测流法、航空摄影测流法、遥感测流法、动船法、比降法等。

2．水力学法包括量水建筑物测流和水工建筑测流。

3．化学法化学法又称溶液法、稀释法、混合法等。

4．物理法这类方法有超声波法、电磁法和光学法测流等。

5．直接法测流容积法和重量法都是属于直接测量流量的方法，适用于流量极小的山涧小沟和实验室模型测流。

实际测流时，在保证资料精度和测验安全的前提下，根据具体情况，因时因地选用不同的测流方法。

二 、 流速分布和流量模型研究流速脉动现象及流速分布的目的是为了掌握流速随时间和空间分布的规律。

它对于进行流量测验具有重大的意义，由此合理布置测速点及控制测速历时等。

（一）流速脉动水体在河槽中运动，受到许多因素影响，如河道断面形状、坡度、糙率、水深、弯道以及风、气压和潮汐等，使的天然河流中的水流大多呈紊流状态。

从水力学知，紊流中水质点的流速，不论其大小、方向都是随时间不断变化着的，这种现象称为流速脉动现象。

水流中某一点的瞬时流速 v 是时间的函数，即 )(t f v =。

流速随时间不断变化着，但它的时段平均值是稳定的，这也是流速脉动的重要特性。

即在足够长的时间T 内有一个固定的平均值，称为时段平均流速或时均流速 ，可用下式表示：⎰=TvdtT v 01于是任一点的瞬时流速为：v v v ∆+=式中： v 、 v ——分别为瞬时流速和时均流速，m/s ；v ∆ ——脉动流速，m/s 。

脉动流速随时间不断变化，时大时小，时正时负，在较长的时段中各瞬时的 v ∆的代数和趋近于零。

用流速脉动强度来表示流速脉动变化强弱的程度：()2min 2max 21v v v y -=式中： y ——流速脉动强度； v ——测点的时均流速；max v 、 m in v ——分别为测点的瞬时最大、最小流速。

流速脉动现象是由水流的紊动而引起的，紊动愈强烈，脉动也愈明显。

通过水力学实验发现，流速水头有上下振动的现象，同时还发现河床粗糙则脉动增强，否则减小。

用流速仪在河流中测速，也可看到流速脉动的现象。

根据实测资料，计算脉动强度，在横断面图上绘制等流速脉动强度曲线图。

从图上可见脉动强度河底大于水面，岸边大于中泓。

这和横断面内流速曲线的变化趋势恰好相反。

从一些实测资料对比可知：山区河流的脉动强度大于平原河流；封冻时冰面下的流速脉动也很强烈，都反应河床粗糙程度对脉动的影响。

这里应说明一点，在河流中进行的流速脉动试验，因受流速仪灵敏度的限制，测得的流速都不是真正的瞬时流速，仍然是时段平均值，只不过时段较短。

所以测得的流速脉动变化过程仅是近似的。

（二）河道中流速分布在研究河流中的流速分布主要是研究流速沿水深的变化，即垂线上的流速分布；研究流速在横断面上的变化。

研究流速分布对泥沙运动、河床演变等，都有很重要的意义。

1．垂线上的流速分布天然河道中常见的垂线流速分布曲线，一般水面的流速大于河底，且曲线呈一定形状。

只有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，如糙率、冰冻、水草、风、水深、上下游河道形势等，致使垂线流速分布曲线的形状多种多样。

许多学者经过实验研究导出一些经验、半经验性的垂线流速分布模型，如抛物线模型、指数模型、双曲线模型、椭圆模型及对数模型等。

但这些模型在使用时都有一定的局限性，其结果多为近似值，许多的观测、研究表明，以下几种模型与实际流速分布情况比较接近。

（1）抛物线型流速分布曲线只具有水平轴的抛物线型流速分布曲线。

A 点为抛物线的原点，抛物线上任意一点a 的坐标为：m x h h y -= v v x -=max将其代入抛物线方程式Px y 22=，并加以整理得： 2max )(21m x h h P v v --=式中: v ——曲线上任意一点的流速；m ax v ——垂线上最大测点流速；x h ——任意一点上的水深； m h ——最大测点流速处的水深；P ——常数，表示抛物线的焦点在x 轴的坐标。

在垂线上m ax v 、m h 及P 皆为常数项。

（2）对数流速分布曲线按普朗德的紊流假定，动力流速为：dy dv Ky ghI v ==*y dy K v dv ⋅=*积分得:C y K v v +=*ln当 y=h （y 是由河底向上起算的深度）时，max v v =，将此边界条件代入上式得：C h K v v +=*ln max则y hK v y h K v v v ln)ln (ln max **=-=- 式中K 为卡尔曼常数。

在管流中，K=0.40；在河流中，苏联热烈兹拿柯夫研究K 近似取0.54，但实际变化很大，有人建议卵石河床K=0.65，沙质床K=0.50。

上式整理得：ηln max K v v v *+=式中 h y /=η，为由河底向上起算的相对水深；其它符号同上。

（3）椭圆流速分布曲线卡拉乌舍夫研究的椭圆流速分布公式为：202011ηη-=-=P v P P v v式中: 0v——水面流速（ 0=η）；P ——流速分布参数，如取P=0.6,相当于谢才系数C=40～60；η——即y/h 表示由水面向下起算的相对水深。

以上仅介绍三种垂线流速分布的公式。

现以椭圆流速分布公式为例，说明它对测点位置选择的作用。

由式按积分法计算垂线平均流速m v 为：ηηηd P v P vd v m ⎰⎰-==12011=216.00⋅v 1026.0arcsin 6.016.01⎥⎦⎤⎢⎣⎡η+η-η =0.8970v按面积包围计算得垂线平均流速0885.0v v m =。

按两点法(相对水深0.2、0.8)计算，得0887.0v v m = 按一点法(相对水深0.6)计算，得 0885.0vv m= 可见通常采用计算垂线平均流速的方法计算结果都接近于积分法，相差约1.1%～1.3%，说明流速分布的研究对测速点位置的选择是有实用价值的。

近河底的流速分布，由于很少有仪器可以实测，所以不易量化。

但由流体力学边界层理论研究与精密观测得知：固定边界的流速必为零，在边界层及其附近的流速梯度很大。

因边界层很薄（例如约1厘米），所以不致影响垂线平均流速计算的结果。

通常河流水文测验的河底流速是指流速仪在悬杆底盘上8厘米，甚至更高处测得的流速，并不是真正的河底流速。

或者在η=0.6及0.8等处的流速，按趋势延长至河底的流速，也不是真正的河底流速。

2．横断面的流速分布横断面流速分布也受到断面形状、糙率、冰冻、水草、河流弯曲形势、水深及风等因素的影响。

可通过绘制等流速曲线的方法来研究横断面流速分布的规律，分别为畅流期及封冻期的等流速曲线。

从图中及其它许多观测资料分析结果表明：河底与岸边附近流速最小；冰面下的流速、近两岸边的流速小于中泓的流速，水最深处的水面流速最大；垂线上最大流速，畅流期出现在水面至0.2h范围内，封冻期则由于盖面冰的影响，对水流阻力增大，最大流速从水面移向半深处，等流速曲线形成闭合状。

垂线平均流速沿河宽的分布曲线。

流速沿河宽的变化与断面形状有关。

在窄深河道上，垂线平均流速分布曲线的形状与断面形状相似。

（三）流量模的概念河道中的流速分布沿着水平与垂直方向都是不同的，为了描述流量在断面内的形态，可采用流量模的概念：如图3-8所示。

通过某一过水断面的流量是以过水断面为垂直面、水流表面为水平面、断面内各点流速矢量为曲面所包围的体积，表示单位时间内通过水道横断面的水的体积，即流量。

该立体图形称为流量模型，简称流量模，它形象地表示了流量的定义。

通常用流速仪测流时，是假设将断面流量垂直切割成许多平行的小块，每一块称为一个部分流量；在超声波分层积宽测流时，是假设将断面流量水平切割成许多层部分流量。

在过水断面内，对于不同部位对流量的叫法分为以下几种：单位流量：单位时间内，水流通过某一单位过水面积上的水流体积。

单宽流量：单位时间内，水流通过某一垂线水深为中心的单位河宽过水面积上的水流体积。

单深流量：单位时间内，水流通过水面下某一深度为中心的单位水深过水面积上的水流体积。

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。

第二讲断面测量是流量测验工作重要组成部分。

断面流量要通过对过水断面面积及流速的测定来间接加以计算，因此，断面测量的精度直接关系到流量成果精度；同时断面资料又为研究部署测流方案，选择资料整编方法提供依据；对于研究分析河床的演变规律，航道或河道的整治，都是必不可少的。

一、断面测量内容和基本要求（一）断面测量内容断面定义：垂直于河道或水流方向的截面称之横断面（简称断面）。

断面与河床的交线，称河床线。

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；历史最高洪水位与河床线之间所包围的面积，称为大断面，它包括水上水下两部分。

断面测量的内容是测定河床各点的起点距（即距断面起点桩的水平距离）及其高程。

对水上部分各点高程采用四等水准测量；水下部分则是测量各垂线水深并观读测深时的水位。

（二）断面测量基本要求1．测量范围大断面测量应测至历史最高洪水位以上0.5～1.0米；漫滩较远的河流,可只测至洪水边界；有堤防的河流,应测至堤防背河侧地面为止。

2．测量时间大断面测量宜在枯水期单独进行，此时水上部分所占比重大，易于测量，所测精度高。

水道断面测量一般与流量测验同时进行。

3．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。