灌区渠道瞬时流量观测技术分析研究

富天生

（辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳 110003）

1 灌区概述

2 流速仪工作原理特点

灌区渠道瞬时流量的观测方法与成果，对灌区量水精度、渗漏量计算至关重要，目前，对采用旋浆式流速仪法与手持电波流速仪法存在不同见解。

2.1 旋浆流速仪

旋流速仪也称为水平轴式流速仪，由几个平面带角度的叶片角度均匀地安装在一轮壳上，或者由2个或2个以上的螺旋状桨叶环绕着桨轴组成旋桨。当放进水流时，此旋桨环绕水平轴转动[1]。旋桨以待测水流为驱动，以一定角速度转动，其回转速率“n”与瞬时流速“V”之间存在着一定的函数关系式V=f（n），通过已知流量试验检定水槽多次试验确定，f（n）由实测转数“N”及实测历时“T”确定，通过计算得出测点瞬时流速。

旋浆流速仪特点：1）仪器设备。测量精度高，测流范围大，价格低，仪器附件多。2）人员配备。需要至少2人以上配合协作，操作步骤多，测流时间长，当水流瞬时流速高时，测瞬时流速有一定危险。3）环境。适合水流流速较低的浅水河流，当漂浮物、悬浮物及泥沙含量大时受干扰较大。

2.2 手持式电波流速仪

手持式电波流速仪主要由雷达枪探测枪、锂电池手柄、220 V充电器、三脚架、罗盘瞄准器、手提箱等部分构件组成。其利用多普勒效应原理，由雷达探测枪向所测水面发射出微波能量束，当这个波束的能量撞击目标时，一小部分波能量返回雷达探测枪，返回信号的频率变化与目标的速度成一定比例，根据发射和返回信号频率的不同测定水面流速[2]。

手持式电波流速仪特点主要体现在：

1）仪器设备。①仪器体积小，携带方便，测流时间短；②俯仰角，手持测量时俯仰角难以准确把握仪器垂直角角度不变，导致待测点瞬时流速不一致，测量结果不同[3]；③参数设置（流速方向，灵敏度），参数设置较多，设置不合理会导致测得流速过低，增大测量误差。

2）人员配备。人员不足时，1人也可完成测流工作。

3）环境。不受漂浮物、悬浮物、泥沙的影响，而且水面的波浪和漂浮物有利于手持电波流速仪测得更稳定的流速数据，并增大量程范围。风对水面流速影响极为明显，但当水面过于平静会导致回波能量微弱测不到流速。相反，手持电波流速仪可以测到很远的流动物体，并且随时可能使测得瞬时速度突然变大或突然变小。

然而，拉斐尔前派所处的维多利亚时代的英国，早已是另一番景象，工业文明带来的尘嚣让曾经田园牧歌的国度变得拥挤又肮脏，表现这样一个处处充斥着钢铁浓烟和冷漠自私的真实世界也与内心的理想不符，于是，美好的过去和宁静的自然便成为了艺术最终的去处。

3 瞬时流速测量方法及步骤

测量方法采用旋浆流速仪三点法测流与手持式电波流速仪测定表面流速比对试验。

3.1 仪器选择

1）旋浆式流速仪。选用德国RHCM，测量范围：0.10～9.99 m/s；分辨率：0.01 m/s；精度：±5%（0.10～0.49 m/s），±1%（0.50～9.99 m/s）；存储器：4M；环境温度：0～+50℃；防护型手持终端：IP65；欧共体标准（CE）：EN 50081-1，EN 50082-2；测量周期：14 s；数据保存时间：100年；电源：内置9 V锂电池或外置7～12 V，最大电流12 mA。

2）手持式电波流速仪，选用美国德卡托Decatur，SVR，测速范围：0.30～20.00 m/s；测速精度：±0.05 m/s；分辨率：0.01 m/s；最大测程：100 m；电波发射角：12°；电波发射标准功率：70 mW；电波频率：34.7 GHz（不易受雨雾天气影响）；工作温度：-30～+70℃；防水：符合国际强度标准IEC529∶1989和欧洲共体标准EN60529；等级：IP55.12；供电电压：+8.5～+16.5 VDC，最低电压值：+8.5VDC；角度补偿：垂直和水平，内置俯仰角感测器，俯仰角自动补正；显示：LCD背光灯。

3.2 断面选取

上下游待测断面均为梯形规则断面，上游为混凝土预制板衬砌结构，顶宽11.0 m，底宽9.5 m，坡比1∶1，水深1.6～2.1 m；下游为混凝土土工格式衬砌结构，顶宽13.0 m，底宽9.5 m，坡比1∶2，水深1.2～1.4 m。测流渠道平直、水流均匀，无巨大块石、漩涡、乱流现象；新修渠道纵横断面规则，衬砌断面规整。测流断面与水流方向垂直，测流断面上下游及附近无影响水流的建筑物和草木等等。

3.3 测线布置

待测流断面形式基本无变化，采用水深与瞬时流速同时测量，根据规范要求：在比较规则整齐的渠床断面上，任意2条测速垂线的间距不大于渠宽的1/5，在坡脚，最大水深点、渠底起伏转折点等处宽度范围内均匀布置6条垂线[3]。如图1所示。

图1 测流断面测线布置图

3.4 数据整理与计算

梯形断面混凝土衬砌结构渠道，根据GB/T21303-2007《灌溉渠道系统量水规范》文中5.6.2论述，无实测资料时，梯形断面混凝土衬砌渠段的岸边流速系数α=0.80～0.85，α值的选取对流量的观测有至关重要的作用[4]-[6]。此次测流两岸边坡光滑，均匀平整，选取岸边流速系数α=0.85。具体计算过程如下：

左侧岸边平均流速：V左=αV1，

各垂线平均流速：

右侧岸边平均流速：V右=αV11；

各部分断面面积，即相邻2条测线位置水深与间距的截面面积：

以辽阳三分干渠为例，实测断面桩号1+510.00 m，施测时间为2016年8月5日8：00—12：00，通用测算仪为XHW-1，旋浆式流速仪计算公式V=0.257 4N/T+0.006 2。实测断面1观测成果见表1，2。

此次比对试验共实测了20个过水断面，由实测数据得出：手持电波流速仪，基本能满足渠道流量观测要求[7]，但取决于待测流量的精度标准要求，例如测山洪洪峰流量，大江大湖较大流量测验，在所测位置不能停留较长时间，宜选取手持电波流速仪。从科学研究角度，渠道流量、渗漏量观测复核计算中，宜选取传统旋浆式流速仪测流，主要原因是水体具有粘滞性，水面的流速比水底的流速大，因为水面与空气接触，交界处的摩擦力较小。从河槽、渠道过水断面流速分布类似等值线图可以看出，河底和河岸附近流速最小，河流中央流速最大，水面流速由岸边向最大水深方向增大。但旋浆式流速仪测流操作步骤繁琐[8]，需要配备人员设备较多。尤其观测平台的设计与组装、结构力学计算，支撑平台雍水曲线计算，需要更专业的技术知识支撑。另外从几何角度分析，手持电波流速仪测得为水面一条线流速分布的算数平均值，而旋浆流速仪测得水中不同深度多条线上流速分布算数平均值，因此旋浆流速仪测得结果更接近真实值。

表1 旋浆式流速仪瞬时流速、流量观测成果表

表2 手持式电波流速仪流速、流量观测成果表

4 测流误差消除

检查仪器编号与检定流速公式系数是否对应，检查仪器及附属设备是否齐全，包括旋浆、固紧部件、转轴、机油、黄油、接触丝、三脚架等相关附件；机身架内腔机油注入量是否为1/3孔高，轴套与机身驾之间间隙为0.4 mm，避免间隙过小或过大磨边；手持仪器身架吹动旋浆，检查灵敏度是否启动灵活，有无颤动、跳动、卡制[9]-[12]；拧固轴螺丝时避免用力过猛，导致旋转轴歪斜；测深时保持测杆垂直状态，读数时水平读取；结果值采用水平读数折算雍水高度，即每条测线实际水深度Hn=hn+△h；通常当有水草或缠绕物缠绕时，导致信号周期加长，流速仪测点定位后，3个正常信号通过之后开始计时，每一个测点测速历时不少于100 s；尽量无风时刻观测测流，注意观察渠道含泥沙及水草情况。

5 结语

通过大量断面瞬时流速观测数据比对实验分析，手持电波流速仪测量数据结果略大于旋转流速仪，但其优点是方便快捷，安全性较高，在科研观测时建议采用旋浆式流速仪与手持电波流速仪结合使用。旋转流速仪集水流内部不同深度的速度进行加权修正，手持电波流速仪集水面流速加权平均，二者结合更接近灌区渠道本身流量真实值。同时再进一步完善测流仪器的方法步骤，研制把观测船、观测平台与流速仪结合为一体的实用新型方式，例如测杆采用刀刃刻度逆水方式，减小雍水高度的影响，读数采用高清摄像及水准仪观测方式读取，极微小水位线影响观测平台设计，进一步提升测流方法与技术。

［1］GB/T11826-2002，转子式流速仪［S］.北京：中国国家质量监督检验检疫总局出版社，2003，03.

［2］郑应成.手持式电波流速仪在中小河流巡测中的可行性研究［J］.水利信息化，2013（002）.

［3］GB/T21303-2007，灌溉渠道系统量水规范［S］.北京：中国标准出版社，2008（03）.

［4］陆春燕.浅谈流速仪在渠道测流时应注意的几个关键环节［J］.陕西水利，2013.0z1.

［5］杜文成，吴海山，田连生，曲忠如.流速仪在垂直偏角情况下测速误差的研究［J］.水文，2000（01）.

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［7］宋文树.电波流速仪在水文监测中的应用分析［J］.中国集成经济，2007（007）.

［8］刘琛.浅述LS25-1型旋浆式流速仪在张家窑断面测流中的应用［J］.陕西水利，2013（002）.

［9］陆菊芳，莫付珍.LS25-1型旋浆式流速仪常见故障及维护［J］.黑龙江科学，2016（008）.

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