清华大学水文信息技术第四章+流量测验课件

1 水 文 信 息 技 术Hydrologic information technology 2 本 章 内 容u断 面 测 量u流 速 仪u流 速 脉 动 、 流 速 分 布u流 速 仪 法 测 流第 四 章 流 量 测 验 3 第 一 节 概 述l 意 义 一 、 测 流 意 义 、 目 的 l 目 的 流 量 数 值 是 各 种 水 工 建 筑 物 的 规 划 、 设 计 和 管理 的 重 要 依 据 。 流 量 是 江 河 、 湖 泊 、 水 库 等 水 体 的 重 要 水 文 特征 值 ， 它 决 定 水 资 源 利 用 的 可 能 性 。 如 城 市 给 水 、 排 水 、 航 运 、 引 水 和 分 流 等 措 施都 需 要 流 量 资 料 。 4 二 、 测 流 方 法 flow measurement method 流 速 面 积 法 ； 水 力 学 方 法 ； 物 理 法 ； 化 学 法 ； 直 接 法 。 1、 流 速 面 积 法 velocity area method u原 理 VAQ u种 类 流 速 仪 法 ； 浮 标 法 ； 比 降 面 积 法 等 。 u特 点 基 本 方 法 ， 准 确 、 可 靠 。 5 l 流 速 仪 法 current-meter method 使 用 流 速 仪 测 量 断 面 上 多 点 的 流 速 ， 再 配 合 断面 面 积 测 量 ， 计 算 流 量 。 6 l 浮 标 法 float method 利 用 浮 标 测 量 断 面 流 速 ， 再 配 合 断 面 面 积 测 量 ，计 算 流 量 。 7 l 比 降 面 积 法 slope area method 测 量 水 面 比 降 ， 再 配 合 面 积 测 量 以 及 糙 率 资 料 ，计 算 流 量 。 RSACQ 611 RnC S 比 降n 糙 率 8 2、 水 力 学 方 法 hydraulic method 依 靠 专 门 修 建 的 量 水 建 筑 物 或 现 成 的 水 工 建 筑物 ， 测 量 水 头 、 断 面 等 水 力 因 素 ， 再 用 水 力 学公 式 计 算 流 量 。 3、 物 理 法 physical method如 ， 超 声 波 法 ； 电 磁 法 ； 光 学 法 。特 点 ： 快 速 、 连 续 、 自 动 化 程 度 高 。 2/30 2 HgbmQ 02gHbeQ 9 4、 化 学 法 （ 或 稀 释 法 ） chemical method 5、 直 接 法 direct method 如 ， 容 积 法 ； 称 重 法 特 点 ： 适 应 面 窄 。 在 河 段 上 游 投 入 的 示 踪 剂 ， 随 水 流 经 过 一 定 流程 后 在 水 中 稀 释 、 混 匀 ， 但 总 量 不 变 。 常 用 的 示 踪 剂 ： 化 学 盐 类 、 荧 光 染 料 、 同 位 素 等 。 10 三 、 测 站 精 度 类 别 及 测 验 方 式1、 测 站 精 度 类 别 l 一 类 站 ： 干 流 水 文 站 （ 大 河 控 制 站 ） 。 l 二 类 站 ： 区 域 代 表 站 。 l 三 类 站 ： 小 河 站 。 表 4-1。 2、 水 位 级 划 分 水 位 级 ： 高 、 中 、 低 、 枯 水 期 。 11 水 位 级 的 划 分 采 用 水 文 频 率 计 算 方 法 ： l对 一 类 站 ， 采 用 年 特 征 值 法 。 用 测 站 各 年 瞬 时 最 高 水 位 进 行 频 率 计 算 ， 得90% 频 率 相 应 的 水 位 作 为 高 水 位 。%90maxz 用 测 站 各 年 瞬 时 最 低 水 位 进 行 频 率 计 算 ， 得10% 频 率 相 应 的 水 位 作 为 低 水 位 。 %0in1mz 水 位 级 关 系 到 测 流 的 方 法 、 测 次 等 。 用 测 站 各 年 平 均 水 位 进 行 频 率 计 算 ， 得 50% 频 率相 应 的 水 位 作 为 中 水 位 。 %05z 12 l对 二 类 、 三 类 站 ， 采 用 典 型 年 法 。 用 测 站 各 年 汛 期 总 水 量 进 行 频 率 计 算 ， 求 10% 、50% 、 90% 频 率 相 应 的 年 份 为 丰 、 平 、 枯 三 个 典型 年 。 分 别 用 丰 、 平 、 枯 三 个 典 型 年 汛 期 逐 日 最 高 水位 进 行 频 率 计 算 ， 依 次 求 10% 、 50% 、 90%频 率相 应 的 水 位 作 为 高 、 中 、 低 水 位 、 。 %90axmz %0ax1mz %0ax5mz 13 用 上 述 高 、 中 、 低 水 位 划 分 水 位 级 ， 得 到 测站 水 情 的 4个 时 期 （ 表 4-2） 。 枯 水 期低 水 期中 水 期高 水 期 二 、 三 类 精 度 站一 类 精 度 站测 站 水 情 特 征 划 分 %90maxzz %90max%05 zzz %05%0min1 zzz %0in1mzz %01maxzz %01max%0max5 zzz %0ax9mzz %05max%0max9 zzz 14 3、 测 次 的 布 置 l 丰 、 平 、 枯 均 有 测 次 ； l Z Q关 系 转 折 点 处 有 测 点 ； l Z Q关 系 稳 定 期 少 测 ， 紊 乱 期 多 测 ； l 高 、 低 水 之 间 测 次 均 匀 。 15 4、 测 流 方 法 选 用 原 则 l 精 度 要 求 ； l 测 流 安 全 ；l 经 济 、 方 便 。 16 1、 测 流 的 五 类 方 法 2、 流 速 面 积 法 的 原 理 、 特 点 、 种 类 17 第 二 节 断 面 测 量 断 面 测 量 包 括 水 道 断 面 （ channel cross-section ）测 量 、 大 断 面 （ possible maximum cross-section ） 测量 。 1、 大 断 面 测 量一 、 概 述 大 断 面 ： 历 年 最 高 洪 水 位 以 上 0.5m 1.0m的 水 位以 下 的 范 围 。大 断 面 测 量 包 括 水 下 和 水 上 部 分 的 测 量 。 18 水 上 部 分 应 测 至 历 年 最 高 洪 水 位 以 上 0.5m 1.0m 。 对 于 漫 滩 大 的 河 流 ， 可 只 测 至 洪 水 边 ； 有 堤 防 的 河 流 ， 应 测 至 堤 防 背 河 侧 的 地 面 ； 无 堤 防 而 洪 水 漫 溢 至 与 河 流 平 行 的 铁 路 、 公 路 、围 圩 时 ， 测 至 其 外 侧 。 19 大 断 面 测 量 时 ， 水 下 部 分 测 深 垂 线 数 目 应 满 足下 表 规 定 。 注 ： 水 面 宽 小 于 平 均 水 深 的 100倍 的 ， 为 窄 深 河 道 ；反 之 为 宽 浅 河 道 。大 断 面 测 量 时 水 下 部 分 最 少 测 深 垂 线 数 目 25252015106宽 浅 河 道窄 深 河 道 151515121065垂线数 10001000300100505138 138 137 96 853 5常 测 法 2515 2515 2012 151065精 测 法 10001000300100505.05.0水 面 宽 78 2、 测 速 方 法 u根 据 垂 线 数 目 、 测 点 多 少 分 类l 精 测 法l 常 测 法l 简 测 法 特 殊 水 情 下 测 流 方 法 （ 洪 水 暴 涨 暴 落 ， 变 动 回水 影 响 ， 流 冰 严 重 等 ） 。 经 常 性 测 流 方 法 。多 点 多 线 ， 为 积 累 资 料 。 79 u根 据 测 速 方 法 不 同 分 类 l积 点 法 point-integrating method l积 深 法 depth-integrating method 流 速 仪 在 测 速 垂 线 上 测 定 各 测 点 流 速 ， 再 计 算垂 线 平 均 流 速 。流 速 仪 沿 测 速 垂 线 匀 速 提 放 ， 测 定 垂 线 平 均 流 速 。 （ 用 测 船 或 缆 道 等 拖 带 ） 流 速 仪 匀 速 横 渡 测 流断 面 ， 施 测 不 同 水 层 的 平 均 流 速 。l积 宽 法 width-integrating method 80 3、 测 速 历 时 velocity measuring duration 综 合 考 虑 上 述 两 点 ， 合 理 选 择 测 速 历 时 ： 一 般 情 况 下 ， 每 个 测 点 的 测 速 历 时 为 100秒 ， 特殊 水 情 下 ， 不 应 少 于 30秒 。 测 点 流 速 脉 动 ， 要 求 测 速 历 时 相 当 长 。 测 点 流 速 的 变 化 ， 要 求 测 速 历 时 相 对 短 。 81 四 、 流 量 计 算 1、 计 算 垂 线 平 均 流 速 （ mean velocity at a vertical）l一 点 法 ： 6.0VVm （ 0.6为 测 点 相 对 水 深 ） 0.80.60.20.0 1.0 82 l两 点 法 ： )(21 8.02.0 VVVm l三 点 法 ： )(31 8.06.02.0 VVVVm l五 点 法 ： )233(101 0.18.06.02.00.0 VVVVVVm 83 2、 计 算 部 分 平 均 流 速 )(21 ,1, imimi VVV 中 间 ：两 边 ： mi VV a岸 边 流 速 系 数 :光 滑 陡 岸 边 取 为 0.9；不 平 整 的 陡 岸 边 取 为 0.8；一 般 情 况 下 ， 取 为 0.7； imV ,1, imV死 水 边 取 为 0.6。 84 3、 断 面 流 量 计 算 iii VAq iqQ 85 五 、 相 应 水 位 计 算 1、 相 应 水 位 equivalent stage 与 一 次 完 整 地 测 流 过 程 计 算 出 的 流 量 相 等 的瞬 时 流 量 对 应 的 水 位 。 2、 计 算 方 法 i im ZnZ 1l算 术 平 均 法 第 条 垂 线 测 速 时 的 水 位 iZ i 86 2b1b 3b nb1h 2h 3h 1h i1 iim ZqQZl部 分 流 量 加 权 法 21 iii ZZZ 其 中 ， imi imiim Vb VbZZ , ,l加 权 平 均 法 87 第 六 节 几 种 测 流 方 法 88 测 船 测 流 89 90 大 汶 口 水 文 站 测 流 91 一 、 浮 标 法 测 流 1、 适 用 条 件 大 洪 水 期 ， 或 水 面 漂 浮 物 较 多 ， 使 用 流 速 仪 测流 困 难 时 一 种 简 易 的 测 流 方 法 。 2、 测 流 原 理 ff QkQ 虚 流 量 fQ 折 算 系 数 ff QQk /流 速 仪 92 3、 测 定 fQ 计 算 浮 标 漂 浮 速 度 （ 虚 流 速 ） ， 测 量 水 道 断面 面 积 ， 再 计 算 流 量 。 fV 起 点 距fV h 93 计 算 步 骤 ： l计 算 各 浮 标 虚 流 速 。TLVf /l 绘 制 虚 流 速 横 向 分 布 曲 线 图 。 l 查 算 各 测 速 垂 线 流 速 ， 计 算 相 邻 测 速 垂 线 间部 分 面 积 及 平 均 流 速 。 l 计 算 断 面 虚 流 量 。 fQl 计 算 断 面 流 量 。ff QkQ 94 二 、 超 声 波 法 流 速 （ 一 ） 原 理利 用 超 声 波 在 水 中 传 播 特 性 。 （ 二 ） 分 类 时 差 法 ； 频 差 法 。 95 1、 时 差 法 time difference method利 用 超 声 波 顺 流 向 与 逆 流 向 传 播 时 间 不 同 来 测 速 。 cosVC LT2 cosVC LT1 ）（ 21 T1T12cosLV A B AB 1V VA BL 96 需 要 在 不 同 水 深 处 安 装 换 能 器 ， 以 测 量 不 同 水层 的 水 流 平 均 流 速 。 97 测 速 精 度 受 到 水 流 速 、 含 沙 量 、 水 流 稳 定 性 、流 向 、 水 温 等 因 素 的 影 响 。 不 适 用 于 高 速 、 高 含 沙 量 的 河 段 ， 因 在 高 速 、高 含 沙 量 的 水 流 中 ， 超 声 波 的 传 播 性 能 不 好 。 98 2、 频 差 法 time difference method利 用 超 声 波 顺 流 向 与 逆 流 向 传 播 频 率 不 同 来 测 速 。 a声 束 与 水 体 中 颗 粒 流 速 之 间 的 夹 角 为F换 能 器 发 射 的 超 声 波 频 率 为 aVc 水 流 速水 体 中 颗 粒换 能 器 声 速 99换 能 器 仅 测 量 与 声 束 平 行 的 速 度 。换 能 器 聆 听 到 的 频 率 与 其 发 射 的 声 束 频 率 之 差 为 aVc asec2 FFcV D则 水 流 速 cVFFD acos2 100 第 七 节 ADCP测 流 原 理 与 方 法ADCP（ Acoustic Doppler Current Profiler） 声学 多 普 勒 流 速 剖 面 仪 。一 、 ADCP组 成 与 基 本 原 理 ADCP换 能 器 （ 3至 4个 探 头 ） ；1、 组 成 101 操 作 软 件 系 统 ；计 算 机 及 连 接 设 备 等 。Transect或 Winriver软 件 ， 实 现 数 据 的 采 样 与回 放 。 ADCP蓄 电 池 计 算 机 102 ADCP（ acoustic doppler current profile meter） 测 流 103 StreamPro便 携 式 微 型 ADCP 104 2、 基 本 原 理 同 时 ， 还 向 河 底 发 射 底 跟 踪 声 脉 冲 ， 测 出 ADCP安 装 平 台 （ 测 船 ） 的 运 动 速 度 以 及 水 深 ， 然 后将 水 流 相 对 速 度 扣 除 船 速 得 到 水 流 的 绝 对 速 度 。ADCP向 水 体 发 射 声 波 ， 当 它 碰 到 水 中 悬 浮 的 微粒 后 产 生 反 射 波 ， 记 录 发 射 波 与 反 射 波 之 间 的频 率 改 变 （ 多 普 勒 频 移 ） ， 计 算 出 水 流 相 对 于ADCP的 速 度 。 105 二 、 ADCP两 种 安 装 方 式 安 装 在 固 定 平 台 （ 河 底 ） 上 ， 进 行 定 点 垂 线 或 水平 流 速 的 分 层 测 量 ；安 装 在 移 动 平 台 （ 测 船 ） 上 ， 进 行 走 航 式 流 速剖 面 的 测 量 。 106 三 、 ADCP测 量 数 据 1、 相 对 流 速 ； 2、 船 速 ； 当 底 沙 运 动 时 ， 应 外 接 GPS测 定 船 速 。 指 水 流 相 对 于 ADCP仪 器 的 流 速 。 它 由 “ 水 跟踪 ” 测 出 。 当 无 底 沙 运 动 时 ， 船 速 由 “ 底 跟 踪 ” 测 出 。 107 3、 水 深 ；由 “ 底 跟 踪 ” 测 出 。4、 船 的 航 行 轨 迹 。 由 “ 底 跟 踪 ” 测 出 。 108 四 、 ADCP与 传 统 仪 器 比 较 1、 ADCP能 直 接 测 出 断 面 的 流 速 剖 面 、 对 流 场 扰动 小 、 测 验 历 时 短 、 测 速 范 围 大 。2、 ADCP可 现 场 直 接 获 取 流 速 、 流 量 、 流 向 、 水深 等 水 文 信 息 ， 测 验 效 率 高 。3、 ADCP不 要 求 测 流 断 面 垂 直 于 河 岸 （ 而 传 统 方法 要 求 这 样 ） ： 测 船 航 迹 可 以 是 斜 线 或 曲 线 ， 大大 方 便 了 施 测 作 业 。 109 1、 流 速 仪 法 测 流 的 原 理 及 工 作 内 容 。2、 何 谓 精 测 法 、 常 测 法3、 何 谓 积 点 法 、 积 深 法 、 积 宽 法 ？4、 测 速 历 时 。 如 何 选 定 合 理 的 测 速 历 时 ？6、 相 应 水 位 及 其 计 算 方 法 。5、 断 面 流 量 计 算 的 步 骤 。7、 浮 标 法 测 流 的 原 理 及 适 用 条 件 。8、 超 声 波 法 测 流 的 原 理 及 适 用 条 件 。