测流方法—水信息技术(手写版)
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二.水工建筑物测流
水工建筑物测流方法，是利用河、渠、湖、库上已建的堰闸、涵管、抽水站等水工泄水建筑物,通过实测水头（水头差）、闸门开启高度 等水力因素，经率定分析或利用经验公式确定流量系数或效率系数，用水力学公式计算流量的一种测流方法。其基本原理是能量转换和守恒原理。
（2）机械测速技术: 根据旋桨或叶轮被水流推动的转数，间接测出流速;
（3）电磁测速技术: 测量水流在地磁场中流动所产生人感应电动势的变化，测得流速;
（4）声学多普勒测速技术: 利用声波传播的多普勒效应，测定流速;
（5）热线热膜风速仪测速技术: 利用热对流耗散和流动速度之间的关系以及热平衡原理，通过电信号与流速之间的关系测得流速;
水的电导率和河流中悬移质的浓度将影响雷达波在含有杂质的水中的传播速度试验证明当水中悬移质浓度大于等于10 kg/m3时，探地雷达能准确地测定河道几何形态信息，但是当河流的电导率等于或大于1000 ms/cm时，河流几乎能完全吸收雷达能量，因此就不可能产生反射信号。当河流电导率较大时，就不适合采用探地雷达进行河流流量的测量。这种非接触式测量不仅可以保障现场监测技术人员的生命安全，还可以在洪水期正常实施测量。
(1)垂线流速的检查分析。将前一次实测垂线流速曲线绘制成图,再与本次需检查分析的流速垂线曲线进行分析对照,分析其分布规律和合理性。
(2)水道断面的分析检查。绘制前一次实测水道断面图,与要检查的水道断面绘制在同一张图上,分析检查其变化规律的合理性,如发现问题及时纠正或补救。
(3)计算、检查、分析。检查实测流量成果的总随机不确定度,系统已定误差是否符合河流流量测验规范的要求,抽查上次和本次需检查的实测流量成果进行计算、检查、分析其实测成果是否可选方案。
操作复杂，维护困难，价格昂贵
激光多普勒测速技术
非接触测量，空间分辨率高，量程大，灵敏性好
用于平均流速、瞬时流速和脉动流速的测量
要求被测流体有一定透明度，管道要有透明窗口，流速高时，要求提高激光输出功率，信号处理难，价格贵
粒子成像测速技术
空间分辨率高，量程大，灵敏性好
用于平均流速、瞬时流速和脉动流速的测量，适合实验室流速测量
3.变动回水影响
由于测流断面下游干支流涨水，下游闸门关闭及结冰等，引起回水顶托，回水顶托越严重，水面比降I越小，同水位流量较稳定流时减少越多，在这种情况下，可以比降为参数确定出一组水位流量关系曲线作为备用。
4.多种因素混合影响
若水位流量关系受多种因素混合影响变化时，采用“连时序法”确定水位流量关系曲线。即按实测流量点子的时间顺序连接水位流量关系曲线，水位流量关系曲线往往成绳套形，同时参考用时序法绘出的水位面积曲线图和水位过程线的起伏趋势连线。
2.根据河宽B分别计算n~3、4、……7的内插基点,求出单宽流量的所在位置(起点距),
3.根据单宽流量的所在位置,从起点距~单宽流量横向分布图中查出相应的单宽流量数值,填入计算表中,
4.用列表法,根据公式计算流量。
以三线法为例：
（1）根据测流时的水位，由大断面图查得相应有效水面宽B(m)
（2）计 算3条垂线的测验位置，记0.113B、0.5B、0.887B;若两岸有死水边，有效水面宽
(4)测次的合理性检查分析。将需检查的测次与前一次实测的测次从时间分布上比较是否布置的合理,从Z~Q关系曲线三线图上检查分析测次布置的是否恰当,从逐时水位过程线上检查实测点分布的是否合理,是否能满足资料整编定线的要求。
1、最佳部分流量的确定。
首先计算出各次流量中的部分流量与相应断面流量的比值 ，统计 的均值、离均差，最后计算出各次流量相同起点距的部分流量离均差的绝对值总和,选取绝对值总和最小的部分流量做为最佳部分流量。
2、部分流量的计算。
例如某测站120米至130米的部分流量,离均绝对值总和最小，即为最佳部分流量。
部分流量用下式计算,即
-垂线120米0.6相对水深的流速作为垂线平均流速；
—垂线120米水深； -垂线130米水深；b-部分宽；
3.点绘q~Q关系图，并用方程表示出来。
六.雷达测流技术
利用车载脉冲多普勒雷达系统来测量河流水面的流速，利用通用探地雷达来测量河流断面信息，根据测得的数值就可计算出河流的流量。
七.单次测流成果的检查与分析
为提高整编成果的可靠性，单站合理性检查可利用测站历年水位流量关系曲线，流量水位过程线，或是降雨与径流关系对照分析，检查其是否符合相应的变化规律。综合合理性检查检查则是根据上下游站月、年平均流量对照，或是用上下游站日平均流量过程线对照，或是用上下游站月、年平均流量对照等，检查它们之间的相互关系是否合理。
（6）激光多普勒测速技术: 利用流体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得流体速度信息;
（7）粒子成像测速技术: 通过拍摄并测量流场中跟随流体运动的颗粒( 示踪粒子) 的速度来反映流场速度。
常见流速测量仪器性能对比
测流技术测流技术
主要优点
适用范围
局限性
毕托管测速技术
结构简单，价格低廉，使用方便
用于平均流速测量
测流面积：河道横断面面积采用通用探地雷达（工作频率为60～300 MHz）测量，雷达天线安装在高于水面的桥梁或缆道上。通过测量发射机、反射边界及接收机之间电磁脉冲波传播时间的方法，探地雷达可连续测绘具有高分辨率的水面和河流底部剖面图。电磁脉冲波的速度是随着穿透性材料的介电常数发生变化的，并且在空气与水面、水与河底淤泥界面发生变化。
这种转换和守恒定律可由下式表示
其中： ξ
-闸上游水头； -闸下水头; -上下游水头损失ξ-闸孔局部水头损失系数； -闸上游断面流速； -闸下游断面流速；系，是指测站基本水尺断面处的水位与通过该断面的流量之间的关系，水位流量关系可分为稳定的和不稳定的两类。
（1）稳定的水位流量关系
对流场会产生扰动
机械测速技术
对各种水流条件适应性强，防水防沙性能好，操作简单
用于平均流速测量
存在机械惯性，响应速度慢，无法测量快速变化的湍流，对流场分布会产生影响，维护繁琐
电磁测速技术
对流场干扰小，体积小、操作简单、测量时间短、投入人员少
用于平均流速测量
价格较高，易受所测水体及外界环境影响
声学多普勒测速技术
（2）不稳定的水位流量关系
1.河槽冲淤影响
若冲淤时段有规律，水位流量关系还能保持稳定状态，则可分别确定不同时段水位流量关系曲线，从各自时段的水位流量关系曲线上，由水位推求流量。
2.洪水涨落影响
洪水波在河道中传播属于不稳定流，会产生附加比降，涨水时，水面比降大，同一水位流量大，退水时，流量则减小，使得一次洪水过程的水位流量关系曲线依时序形成逆时针方向的绳套曲线，此时可按涨落过程定线，然后推求流量。
体积小，结构精巧，可以适用于不同的现场环境和测量要求; 非接触方式，不会影响流场; 没有转动部件，不会产生机械惯性，具有极高的流速分辨率，响应迅速，能够在复杂多变的流场中快速测量
用于平均流速、瞬时流速和脉动流速的测量
需要较牢固的固定装置
热线热膜风速仪测速技术
精度高，响应迅速，灵敏性好
用于平均流速、瞬时流速和脉动流速的测量
则为实际水面宽减去两岸水面宽。3条垂线的测验位置，0.113B,0.5B,0.887B分别加上测流起始岸边的水边起点距和死水水面宽.
(3)在3条垂线上测出水深 、 、 和垂线的平均流速 、 、 ;
(4)计算3条垂线的单宽流量 、 、 ;
(5)计算虚流量
五.最佳部分流量相关法
流量是水位的函数,是断面内各个部分流量的总和,部分流量也是随着水位变化的。因此流量可以表示为部分流量的函数。流量与各个部分流量的关系密切程度是不一致的,我们把与流量的关系最为密切的部分流量叫做最佳部分流量,以该部分流量与流量相关,便可以由部分流量推求出断面流量。
四.简化测流法
1、数值平均法
春日屋法测流，适用于稳定测流断面上下游水流畅通回水或顶托影响不大的情况
(一)断面流量计算公式如下:
n=3
n=4
n=5 )
n=6
n=7
具体验算分析如下:
1.计算各次流量的单宽流量。将各次实测流量中的每条测速垂线的水深乘以该垂线的平均流速,求得单宽流量,然后点绘起点距一单宽流量横向分布图,
水面流速：当雷达信号在河流水面产生散射时，雷达所接收到的水面反射波的载波频率就会发生偏移。当水流向着雷达天线运动时，其反射波的多普勒频移为正值；当水流背离雷达天线运动时，其反射波的多普勒频移为负值。实际应用中，雷达发射的一部分微波被水面波浪的迎面反射回来，产生的多普勒频移信息被雷达接收机所接收，通过计算反射信号和发射信号的频率差，就可计算出水面流速
测流方法
一.测速技术
由测定流速和流量过水断面，通过断面测量推算流量，即Q=AV，通常精确测量采用流速仪法，但根据测流探头的测量原理，可以分为以下几类
（1）毕托管测速技术: 通过测量流动流体的动压头与静压头的压力之差换算成流体速度;采用多点取压,积分求流量。在电厂应用比较广泛。在实际运用此种方法测量时,要注意毕托管支持杆要有一定的刚度。
稳定的水位流量关系指同一个水位就只有一个相应的流量，测流断面各项水利要素相对水文流量关系可以相互补偿。根据水力学的曼宁公式，天然河道的流量可以用此式表示： .
Q-流量， ； ， ；I-水面比降。
R-水力半径，m； n-糙率：
在测站控制良好，河床稳定的情况下，测站的水位流量可以保持稳定的单一关系，点绘出水位流量关系曲线，在推求流量时，由已知水位即可推求相应的流量。
二.水工建筑物测流
水工建筑物测流方法，是利用河、渠、湖、库上已建的堰闸、涵管、抽水站等水工泄水建筑物,通过实测水头（水头差）、闸门开启高度 等水力因素，经率定分析或利用经验公式确定流量系数或效率系数，用水力学公式计算流量的一种测流方法。其基本原理是能量转换和守恒原理。
（2）机械测速技术: 根据旋桨或叶轮被水流推动的转数，间接测出流速;
（3）电磁测速技术: 测量水流在地磁场中流动所产生人感应电动势的变化，测得流速;
（4）声学多普勒测速技术: 利用声波传播的多普勒效应，测定流速;
（5）热线热膜风速仪测速技术: 利用热对流耗散和流动速度之间的关系以及热平衡原理，通过电信号与流速之间的关系测得流速;
水的电导率和河流中悬移质的浓度将影响雷达波在含有杂质的水中的传播速度试验证明当水中悬移质浓度大于等于10 kg/m3时，探地雷达能准确地测定河道几何形态信息，但是当河流的电导率等于或大于1000 ms/cm时，河流几乎能完全吸收雷达能量，因此就不可能产生反射信号。当河流电导率较大时，就不适合采用探地雷达进行河流流量的测量。这种非接触式测量不仅可以保障现场监测技术人员的生命安全，还可以在洪水期正常实施测量。
(1)垂线流速的检查分析。将前一次实测垂线流速曲线绘制成图,再与本次需检查分析的流速垂线曲线进行分析对照,分析其分布规律和合理性。
(2)水道断面的分析检查。绘制前一次实测水道断面图,与要检查的水道断面绘制在同一张图上,分析检查其变化规律的合理性,如发现问题及时纠正或补救。
(3)计算、检查、分析。检查实测流量成果的总随机不确定度,系统已定误差是否符合河流流量测验规范的要求,抽查上次和本次需检查的实测流量成果进行计算、检查、分析其实测成果是否可选方案。
操作复杂，维护困难，价格昂贵
激光多普勒测速技术
非接触测量，空间分辨率高，量程大，灵敏性好
用于平均流速、瞬时流速和脉动流速的测量
要求被测流体有一定透明度，管道要有透明窗口，流速高时，要求提高激光输出功率，信号处理难，价格贵
粒子成像测速技术
空间分辨率高，量程大，灵敏性好
用于平均流速、瞬时流速和脉动流速的测量，适合实验室流速测量
3.变动回水影响
由于测流断面下游干支流涨水，下游闸门关闭及结冰等，引起回水顶托，回水顶托越严重，水面比降I越小，同水位流量较稳定流时减少越多，在这种情况下，可以比降为参数确定出一组水位流量关系曲线作为备用。
4.多种因素混合影响
若水位流量关系受多种因素混合影响变化时，采用“连时序法”确定水位流量关系曲线。即按实测流量点子的时间顺序连接水位流量关系曲线，水位流量关系曲线往往成绳套形，同时参考用时序法绘出的水位面积曲线图和水位过程线的起伏趋势连线。
2.根据河宽B分别计算n~3、4、……7的内插基点,求出单宽流量的所在位置(起点距),
3.根据单宽流量的所在位置,从起点距~单宽流量横向分布图中查出相应的单宽流量数值,填入计算表中,
4.用列表法,根据公式计算流量。
以三线法为例：
（1）根据测流时的水位，由大断面图查得相应有效水面宽B(m)
（2）计 算3条垂线的测验位置，记0.113B、0.5B、0.887B;若两岸有死水边，有效水面宽
(4)测次的合理性检查分析。将需检查的测次与前一次实测的测次从时间分布上比较是否布置的合理,从Z~Q关系曲线三线图上检查分析测次布置的是否恰当,从逐时水位过程线上检查实测点分布的是否合理,是否能满足资料整编定线的要求。
1、最佳部分流量的确定。
首先计算出各次流量中的部分流量与相应断面流量的比值 ，统计 的均值、离均差，最后计算出各次流量相同起点距的部分流量离均差的绝对值总和,选取绝对值总和最小的部分流量做为最佳部分流量。
2、部分流量的计算。
例如某测站120米至130米的部分流量,离均绝对值总和最小，即为最佳部分流量。
部分流量用下式计算,即
-垂线120米0.6相对水深的流速作为垂线平均流速；
—垂线120米水深； -垂线130米水深；b-部分宽；
3.点绘q~Q关系图，并用方程表示出来。
六.雷达测流技术
利用车载脉冲多普勒雷达系统来测量河流水面的流速，利用通用探地雷达来测量河流断面信息，根据测得的数值就可计算出河流的流量。
七.单次测流成果的检查与分析
为提高整编成果的可靠性，单站合理性检查可利用测站历年水位流量关系曲线，流量水位过程线，或是降雨与径流关系对照分析，检查其是否符合相应的变化规律。综合合理性检查检查则是根据上下游站月、年平均流量对照，或是用上下游站日平均流量过程线对照，或是用上下游站月、年平均流量对照等，检查它们之间的相互关系是否合理。
（6）激光多普勒测速技术: 利用流体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得流体速度信息;
（7）粒子成像测速技术: 通过拍摄并测量流场中跟随流体运动的颗粒( 示踪粒子) 的速度来反映流场速度。
常见流速测量仪器性能对比
测流技术测流技术
主要优点
适用范围
局限性
毕托管测速技术
结构简单，价格低廉，使用方便
用于平均流速测量
测流面积：河道横断面面积采用通用探地雷达（工作频率为60～300 MHz）测量，雷达天线安装在高于水面的桥梁或缆道上。通过测量发射机、反射边界及接收机之间电磁脉冲波传播时间的方法，探地雷达可连续测绘具有高分辨率的水面和河流底部剖面图。电磁脉冲波的速度是随着穿透性材料的介电常数发生变化的，并且在空气与水面、水与河底淤泥界面发生变化。
这种转换和守恒定律可由下式表示
其中： ξ
-闸上游水头； -闸下水头; -上下游水头损失ξ-闸孔局部水头损失系数； -闸上游断面流速； -闸下游断面流速；系，是指测站基本水尺断面处的水位与通过该断面的流量之间的关系，水位流量关系可分为稳定的和不稳定的两类。
（1）稳定的水位流量关系
对流场会产生扰动
机械测速技术
对各种水流条件适应性强，防水防沙性能好，操作简单
用于平均流速测量
存在机械惯性，响应速度慢，无法测量快速变化的湍流，对流场分布会产生影响，维护繁琐
电磁测速技术
对流场干扰小，体积小、操作简单、测量时间短、投入人员少
用于平均流速测量
价格较高，易受所测水体及外界环境影响
声学多普勒测速技术
（2）不稳定的水位流量关系
1.河槽冲淤影响
若冲淤时段有规律，水位流量关系还能保持稳定状态，则可分别确定不同时段水位流量关系曲线，从各自时段的水位流量关系曲线上，由水位推求流量。
2.洪水涨落影响
洪水波在河道中传播属于不稳定流，会产生附加比降，涨水时，水面比降大，同一水位流量大，退水时，流量则减小，使得一次洪水过程的水位流量关系曲线依时序形成逆时针方向的绳套曲线，此时可按涨落过程定线，然后推求流量。
体积小，结构精巧，可以适用于不同的现场环境和测量要求; 非接触方式，不会影响流场; 没有转动部件，不会产生机械惯性，具有极高的流速分辨率，响应迅速，能够在复杂多变的流场中快速测量
用于平均流速、瞬时流速和脉动流速的测量
需要较牢固的固定装置
热线热膜风速仪测速技术
精度高，响应迅速，灵敏性好
用于平均流速、瞬时流速和脉动流速的测量
则为实际水面宽减去两岸水面宽。3条垂线的测验位置，0.113B,0.5B,0.887B分别加上测流起始岸边的水边起点距和死水水面宽.
(3)在3条垂线上测出水深 、 、 和垂线的平均流速 、 、 ;
(4)计算3条垂线的单宽流量 、 、 ;
(5)计算虚流量
五.最佳部分流量相关法
流量是水位的函数,是断面内各个部分流量的总和,部分流量也是随着水位变化的。因此流量可以表示为部分流量的函数。流量与各个部分流量的关系密切程度是不一致的,我们把与流量的关系最为密切的部分流量叫做最佳部分流量,以该部分流量与流量相关,便可以由部分流量推求出断面流量。
四.简化测流法
1、数值平均法
春日屋法测流，适用于稳定测流断面上下游水流畅通回水或顶托影响不大的情况
(一)断面流量计算公式如下:
n=3
n=4
n=5 )
n=6
n=7
具体验算分析如下:
1.计算各次流量的单宽流量。将各次实测流量中的每条测速垂线的水深乘以该垂线的平均流速,求得单宽流量,然后点绘起点距一单宽流量横向分布图,
水面流速：当雷达信号在河流水面产生散射时，雷达所接收到的水面反射波的载波频率就会发生偏移。当水流向着雷达天线运动时，其反射波的多普勒频移为正值；当水流背离雷达天线运动时，其反射波的多普勒频移为负值。实际应用中，雷达发射的一部分微波被水面波浪的迎面反射回来，产生的多普勒频移信息被雷达接收机所接收，通过计算反射信号和发射信号的频率差，就可计算出水面流速
测流方法
一.测速技术
由测定流速和流量过水断面，通过断面测量推算流量，即Q=AV，通常精确测量采用流速仪法，但根据测流探头的测量原理，可以分为以下几类
（1）毕托管测速技术: 通过测量流动流体的动压头与静压头的压力之差换算成流体速度;采用多点取压,积分求流量。在电厂应用比较广泛。在实际运用此种方法测量时,要注意毕托管支持杆要有一定的刚度。
稳定的水位流量关系指同一个水位就只有一个相应的流量，测流断面各项水利要素相对水文流量关系可以相互补偿。根据水力学的曼宁公式，天然河道的流量可以用此式表示： .
Q-流量， ； ， ；I-水面比降。
R-水力半径，m； n-糙率：
在测站控制良好，河床稳定的情况下，测站的水位流量可以保持稳定的单一关系，点绘出水位流量关系曲线，在推求流量时，由已知水位即可推求相应的流量。