灌区渠道测流技术课件

灌区渠道测流技术灌区渠道测流技术 高鲲鹏高鲲鹏 灌区渠道测流技术 目目 录录 一、渠道及流态 二、渠道测流方法 三、渠道测流设备 四、设备的选型及安装维护 1.选型 2.选址 3.安装 4.维护 五、测流设备的率定 1.对比测流工况与次数选择 2.流速仪法的具体方法 3.对比测流数据处理 4.率定结果处理 六、测流设备的测量精度提高 七、在线测流系统的一般结构及组成 八、相关规范标准 九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水 目 录 一、渠道及 一、渠道及流态 渠道渠道也即明渠（英语open channel）是一种具有自由表面（表面上各点受大气压强的作用）水流的渠道。根据它的形成可分为天然明渠和人工明渠。前者如天然河道；后者如人工输水渠道、运河及未充满水流的管道等。明渠流动明渠流动是水流的部分周界与大气接触具有自由表面的流动。由于自由表面上相对压强为零，又称为无压流动。明渠一般作为明渠水流的简称，英语open channel flow。明渠的特性有三点明渠的特性有三点：水面一定与大气接触；且水位及流量跟随横断面的变化而变化；最后就是水流方向由重力决定，由高向低的方向流动。按照运动要素是否随时间变化，明渠可分为明渠恒定流明渠恒定流和明渠非恒定流明渠非恒定流。按照运动要素是否随流程变化，明渠可分为明渠均匀流明渠均匀流和明渠非均匀流明渠非均匀流。按照变化的缓急程度，明渠可分为明渠急变流明渠急变流和明渠渐（缓）变流明渠渐（缓）变流。以上三个分级标准可以任意搭配，比如：明渠非恒定非均匀渐变流。急流与缓流：急流与缓流：明渠中由于流速与波速的比值不同而出现的两种不同性质的水流形态。一、渠道及流态 渠道也即明渠（英 二、渠道测流方法二、渠道测流方法 明渠测流方法从原理上可分为两大类：水位法水位法与流速面积法流速面积法。水位法水位法是通过测量量水建筑物的上游水位（或上、下游水位）或渠道水位并经经验公式（或理论半理论公式)或实验曲线换算成流量来实现计量的。流速面积法流速面积法不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（实际上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速来求得流量。二、渠道测流方法 二、渠道测流方法二、渠道测流方法 1、水位法水位法 水位法主要有两大类：一类是通过测量顺直渠道（流态为恒定均匀流）的水位，然后通过理论或半理论公式（如谢才公式与曼宁公式）或水位流量关系曲线来计算出或插值出流量；另一类是通过测量水工建筑物的上下游水位，然后应用经验公式或实验曲线来求出流量。第一类通过测量渠道水位来求流量的方法要求渠道流态必须为自由出流（也即恒定均匀流），不能出现下游雍水现象（也即淹没出流）。第二类通过水工建筑物量水的方法也要求下游最好为自由出流，虽然这种方法在下游为淹没出流时也可以测流，但测量精度会大幅下降，基本上不采用。采用水工建筑物量水的流量计实际上是由水位计、二次积算仪加辅助的工程建筑物的总称。辅助的工程建筑物主要有：辅助的工程建筑物主要有：水位计主要有：水位计主要有：量水槽（巴希尔槽、无喉道量水槽等）超声波水位计（接触式式）量水堰（薄壁堰、三角堰、宽顶堰等）超声波水位计（非接触式式）闸孔涵洞 浮子式水位计 压力式水位计 雷达水位计 磁伸缩水位计 水尺（人工读数）二、渠道测流方法 1、水位法二、渠道测流方法二、渠道测流方法 33一般讲如果是自由出流，用一个上游水位就可通过公式换算或查曲线求得流量，如果是淹没出流，则需要上下游两个水位。在精度方面，由高向低排列如下：类型 精度 自由出流薄壁堰 2%自由出流宽顶堰 3%自由出流巴希尔槽 3%自由出流无喉道量水槽 3%-5%自由出流闸孔 5%自由出流标准断面 5-20%淹没出流薄壁堰 20%淹没出流宽顶堰 25%淹没出流巴希尔槽 25%淹没出流无喉道量水槽 25%淹没出流闸孔 20-30%淹没出流标准断面 30%（上述精度是渠道小于5米且流态较稳时的理论精度，渠道越宽精度越低）二、渠道测流方法 33一般讲如果是自由出流，用一个上游水位就 二、渠道测流方法二、渠道测流方法2 2、流速面积法、流速面积法 流速面积法流量计主要通过测流速及水位来计算求得流量，主要有：超声波时差法 测量线流速，分单声道法与多声道法。超声波多普勒法 测量局部面流速，分为ADCP法（适合宽渠道，有固定与走航式两种。）与普通多普勒法（适合宽25米内渠道）。流速仪法 测量点流速，人工手动测量。非接触面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪）测量点流速，人工手动及自动测量 二、渠道测流方法2、流速面积法 二、渠道测流方法二、渠道测流方法按渠道宽窄具体使用以下方式：窄渠道窄渠道（一般宽度在25米以下）：普通多普勒法（纵向发射）精度2%时差法流量计 精度2%流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。）非接触面流速仪宽渠道：宽渠道：固定ADCP法（横向发射）多普勒走航式明渠流量计 时差法明渠流量计 流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。）非接触面流速仪 二、渠道测流方法按渠道宽窄具体使用以下 二、渠道测流方法二、渠道测流方法3.3.两种方法比较两种方法比较 水位法水位法是通过测量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并经经验公式或实验曲线换算成流量来实现计量的。因此水位法流量计需要修建量水建筑物，且精度不高，当渠道沿程水头差较小时，量水建筑物会产生水头损失而影响渠道过水；另一方面当量水建筑物下游附近建有闸门等挡水建筑物时会在量水建筑物处形成淹没出流，此时测量精度会大幅下降。水位法一般应用于宽度比较小或流量比较小的渠道，渠道宽度超过1米时，量水建筑物造价会增加很多，而此时不做量水建筑物直接用渠道的水位流量经验关系曲线测流时精度会很低。流速面积法流速面积法则不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（实际上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速来求得流量，并且精度高，且不受下游顶托水的影响。流速面积法流量计主要有超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计。由于超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计过去主要以国外产品为主，国内几乎没有同类产品，因此造价很高，一般在主要干渠及重要支渠上安装此类产品，斗口很难普及，一般均以水位法流量计（水位计+量水建筑物）作为斗口计量的主要设备。二、渠道测流方法3.两种方法比较 三、渠道测流设备三、渠道测流设备 1.1.宽度宽度2525米以上的宽浅渠道的测流方法选择米以上的宽浅渠道的测流方法选择 渠道宽度在25米以上时，水位法误差会很大，因此只能采用流速面积法测流。可选用的流速面积法目前主要有以下五种方法：固定固定ADCPADCP法（横向发射）法（横向发射）多普勒走航式明渠流量计多普勒走航式明渠流量计 时差法明渠流量计时差法明渠流量计 流速仪（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。）流速仪（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。）非接触表面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪）非接触表面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪）其中、需要人工辅助测量，不能在线自动监测；、为目前主要采用的在线监测方法，即可人工测也可在线自动监测。（时差法明渠流量计适用于清水，水中汽泡与杂质不宜过多，有单声道与多声道之分，安装于渠道的两岸，安装精度要求高，维护费用也高，目前使用比较少；固定ADCP法（横向发射）原理为多普勒法，适用于污 水及有汽泡或杂质的清水，有单探头与多探头之分，安装于渠道单侧，安装维护相对简单，目前被广泛使 用。）三、渠道测流设备 1.宽度25米以 三、渠道测流设备三、渠道测流设备2.2.宽度宽度2525米以内的窄渠道的测流方法选择米以内的窄渠道的测流方法选择 如果水位法能满足测流要求，则尽量用水位法，原因主要有：安全性好：其野外防盗防破坏及防淤积性能均优于流速面积法。可靠性好：不受水中悬浮物干扰，不易受环境影响。安装维护简单：不需停水安装与检修。三、渠道测流设备2.宽度25米以内的 三、渠道测流设备三、渠道测流设备 1 1）超声波时差法流量计（分单声道法与多声道法）超声波时差法流量计（分单声道法与多声道法）安装示意图如下图：测流原理如下图：断面的平均流速等于=(V1*A1+V2*A2+Vi*Ai+Vn*An)/A Vi:第i个流速探头测量的平均线流速 Ai:第i个分割面积 三、渠道测流设备 1）超声波时差法流量计 三、渠道测流设备三、渠道测流设备2 2）超声波多普勒流量计）超声波多普勒流量计 实物安装图如下图:断面的平均流速=实际测速范围内的杂质最大概率流速 三、渠道测流设备2）超声波多普勒流量计断 三、渠道测流设备三、渠道测流设备3 3）ADCPADCP 多声路实物图及安装图：多声路测流原理图 三、渠道测流设备3）ADCP 三、渠道测流设备三、渠道测流设备4 4）非接触表面流速仪法（雷达流速仪、超声流速仪）非接触表面流速仪法（雷达流速仪、超声流速仪）三、渠道测流设备4）非接触表面流速仪法 三、渠道测流设备三、渠道测流设备两种常用方法：超声波时差法（多声道法）超声波多普勒法相互比较如下（对窄渠道（一般宽度在20米一下）多普勒法（纵向发射）流量计与时差法流量计相比，当水位波动较大时，前者精度较高，当流态左右岸不均匀时，后者较高。）从理论上讲，两种方法测得的各自测流范围的流速精度应该都是很高的，都在1%以内，关键是换算为断面整体平均流速时其计算模型会产生误差，因此这两种方法的实际断面流量测量精度主要是换算模型及公式的精度及校准精度。三、渠道测流设备两种常用方法：超声波 四、设备的选型及安装维护四、设备的选型及安装维护1.1.选型选型 四、设备的选型及安装维护1.选型 四、设备的选型及安装维护四、设备的选型及安装维护 2.2.选址选址 测流位置的选择主要考虑以下三个方面：1）测流精度 2）供电方便 3）安全维护3.3.安装安装 与水接触的测流设备设备的安装主要考虑以下几方面 1）避免淤积与堵塞 2）方便维护与装卸 3）采用防盗安装 4.4.维护维护 及时清理设备上的堵塞物、清洁传感器、定时校准设备。四、设备的选型及安装维护 2.选址 五、测流设备的率定五、测流设备的率定 渠道测流设备的率定一般用传统的流速仪法，费用低并且渠道测流设备的率定一般用传统的流速仪法，费用低并且可靠性高，在加密布线的情况下精度也能保证。可靠性高，在加密布线的情况下精度也能保证。1.1.对比测流工况与次数选择对比测流工况与次数选择 在线测流设备的流量修正系数在一个测流断面不是一个恒定的值，是会随着水流状态发生变化的，一般是通过随高、中、低三个代表性水位变化来表示的。当渠道测流断面较宽且偏流现象严重时，对于不同的水位流量修正系数会有比较大的差别（例如流量修正系数在高水位时大于1而在低水位时小于1）。所以在选择测流断面时应尽量避免这种情况出现，要保证在高、中、低不同水位时流量修正系数基本保持一致（都大于1或都小于1），这时可用一个平均流量修正系数来表示整个断面的流量修正系数。五、测流设备的率定 渠道测流设备的率定 五、测流设备的率定五、测流设备的率定2.2.流速仪法的具体方法流速仪法的具体方法 1）测线布设 不同渠宽的测线布设数目 2）流速测量 不同水深的测速方法 3）断面测量 4）断面流量计算 五、测流设备的率定2.流速仪法的具体 五、测流设备的率定五、测流设备的率定3.3.对比测流数据处理对比测流数据处理 流量修正系数=流速仪法实测值/流量计测量值 平均流量修正系数=(流量修正系数1+流量修正系数2+.+流量修正系数n)/n4.4.率定结果处理率定结果处理 流量修正系数如果大于1.2或小于0.8，则说明测流断面选择有问题或流量计在断面上的安装位置有问题，需重新选择测流断面或流量计安装位置。如果n次不同流况下率定的流量修正系数最大与最小值大小误差在10%以内，则用平均流量修正系数作为该断面的流量修正系数;如果n次不同流况下率定的流量修正系数最大与最小值大小误差在10%以上20%以内，则按高、中、低水位或高、低水位确定该断面的3个或2个不同水位范围的流量修正系数;如果n次不同流况下率定的流量修正系数最大与最小值大小误差在20%以上，则说明测流断面选择有问题，需重新选择测流断面。五、测流设备的率定3.对比测流数据处 六、测流设备的测量精度提高六、测流设备的测量精度提高 以上几种测流设备在实际应用中其实际测量精度与理论精度（即仪器出厂标定精度）肯定会有一定的差距，这主要是由于安装位置、安装精度、数据处理方法、率定方法等产生的，因此提高测量精度主要从这几点入手：（1 1）调整安装位置）调整安装位置 尽量选择具有标准断面的顺直渠道，满足前10后5的要求（既仪器上游顺直段有10倍渠宽，下游顺直段有5倍渠宽）。如果不满足这个要求，水的流态不会非常平稳，会产生测量结果偏大或偏小的情况，这时就需要进行修正，一般是乘以一个修正系数（该系数是通过现场率定产生的）或调整安装位置。（2 2）提高安装精度）提高安装精度主要为流速探头的安装角度、位置等是否准确，如果安装角度发生偏差，则结果会有一个固定的误差系数，这时候为提高测量精度则需要调整安装角度或乘以一个修正系数。（3 3）数据处理方法）数据处理方法主要是指在实际测量过程中现场会有各种干扰（如正在测量时有鱼在流速探头附近游过），使个别数据不准或完全失真，如果测量的时间间隔较大，则这些失真数据会对测量结果产生较大影响，因此需要增加测量时间间隔密度或对失真数据进行删除或平滑处理。（4 4）率定方法）率定方法 率定时一定要保证在一段时间内测量断面处的过流量保持恒定，否则在涨水或落水的过程中同样的水位会对应不同的流量，造成校准系数结果偏大（落水）或偏小（涨水）；另一个要注意的是要选择一个或几个合适的水位附近进行校准，不能选择极端水位；当实际断面过流量的准确值无法获得时，可通过对称法或反向法安装仪器来抵消系统误差。六、测流设备的测量精度提高 以上几种测流设备 七、在线测流系统的一般结构及组成七、在线测流系统的一般结构及组成其中：流量计由水位流速传感器与终端机（二次仪表）组成；监控管理软件安装于服务器上。通讯仪器可选无线通讯设备或有线网络通讯设备。电源系统可采用民用供电系统或太阳能供电系统，也可使用电池供电。七、在线测流系统的一般结构及组成其中：流量计由水位 八、相关规范标准八、相关规范标准 国家水资源监控能力建设项目实施方案（2016-2018）GB 50179-2015 河流流量测验规范 SL 5372011 水工建筑物与堰槽测流规范 SL 3372006 声学多普勒流量测验规范 SL 3652007 水资源水量监测技术导则 SL 3842007 水位观测平台技术标准 GB/T 501382010 水位观测标准 SL 612003 水文自动测报系统技术规范 SZY 2022013水资源监测站点建设技术导则 SZY 2032012 水资源监测设备技术要求 SZY 2042012 监测设备现场安装调试 SZY 2052012 水资源监测设备质量检验 SZY 2062012 水资源监测数据传输规约 八、相关规范标准 国家水资源监九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水1.1.建设目标及任务要求建设目标及任务要求 监测目标要求监测目标要求：对全国河道外取水量的80%以上和全国总水量的50%以上实现取用水在线监测，其中5万亩以上灌区渠首取水全部实现在线监测，1万亩至5万亩灌区渠首取水实现在线监测或规范计量。建设内容：建设内容：对地表取水年许可取水量在100300万m3之间和地下取水年许可取水量在2050万m3以上的颁证取用水户进行在线监测建设，以及对2321个重点中型以上灌区（即灌溉面积5万亩及以上的灌区）渠首取水量进行监测。测流精度要求九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.2.技术要求技术要求 （1 1）系统结构）系统结构 系统结构由国家监控中心、流域机构与省分中心以及测站组成。九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.技术要求九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.2.技术要求技术要求（2 2）信息传输要求）信息传输要求 包括信息传输路由、通信方式、信息采集与传输频度、通信规约。（3 3）监测站设置要求）监测站设置要求 各省对灌区渠首取水监测站的站点布设应根据二期项目对取用水监测范围的具体目标进行统筹安排：大型灌区（设计灌溉面积30万亩）渠首自动监测站点的设置应保证对取水量监控能力达到100%；重点中型灌区（设计灌溉面积5万亩）渠首自动监测站点的设置应保证对取水量监控能力达到90%以上，其中通过水库的堰、涵、引水洞、水电站引水，及通过泵站提水灌溉的站点，取水量监控能力优先实现全覆盖；具有多取水口的灌区，对部分取水量较小、取水频度低的取水口可采用人工观测的方式，要求数据及时录入数据库，在线监测的取水量监控能力应达到85%以上；水系较复杂的地区，要调查分析水量的来源设立监测站，避免漏测或重复测（计）量；渠首取水监测断面后的渠系中如有非灌溉用途的取水口门，应在灌区管理系统中设立监测站，监测分水量。九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.技术要求九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.2.技术要求技术要求（4 4）监测站典型结构与设备配置）监测站典型结构与设备配置九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.2.技术要求技术要求（5 5）测站设备选用规定与要求）测站设备选用规定与要求 选用的仪器设备除应具有产品合格证外，还应具有以下条件：产品生产许可证、计量制造许可证、进口产品应具有国家认可的型式检测报告，数据采集传输终端的符合性检测报告，特殊地区须实施加密传输。监测设备根据使用场合和地区的不同，采取防寒、防高温、防腐蚀、防电磁干扰、防雷等措施。监测站点位于行洪区域内的设施建设应满足防洪标准，当出现防洪标准相应洪水时，应能保证建筑物、设施设备不被淹没、冲毁，保障人身安全。与水文共建并具有水情报汛需要的测站，应满足测洪标准的要求，当发生测洪标准相应及其以下洪水时，测验设施设备应能正常运行，当发生超标洪水时应有相应测洪预案。九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.技术要求九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.2.技术要求技术要求 （6 6）监测站功能要求）监测站功能要求 具备水位、闸位、功率、流速等相关信息自动连续监测功能；具备定时自报或召测报信功能；具备现地和远程参数配置，监测频度、时段和工作方式修改等功能；具备现地和远程数据下载功能；具备多路通信和主备通道自动切换功能；具备实时数据滤波、计算和处理功能；本地存储容量保证存储测量数据1年以上；具有设备故障、工作异常及参数越限自动报警功能。九、国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水2.技术要求谢谢！谢谢！欢迎交流讨论欢迎交流讨论 谢谢！