能坡法測流原理及應(yīng)用

□郭東渠（河南省周口水文水資源勘測局）

能坡法測流原理及應(yīng)用

□郭東渠（河南省周口水文水資源勘測局）

能坡法是一種新型的流量測驗?zāi)Ｐ停月晫W(xué)多普勒流速流量剖面儀為基礎(chǔ)，在已知大斷面的情況下，配合自記水位計，可以快速、精確地測量出斷面流量，結(jié)合計算機處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M技術(shù)，通過系統(tǒng)運行，可以完成信息采集、計算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、展示、數(shù)據(jù)維護、數(shù)據(jù)分析計算等一系列功能，并可實現(xiàn)流量測驗數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控，經(jīng)過實際應(yīng)用，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)比較合理，適合在大洪水期間報汛、水文巡測、水文應(yīng)急測驗、水資源監(jiān)測等場合使用。

能坡法；測流；模型；應(yīng)用

1　概述

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，國家對水資源管理工作提出了更高的要求，逐步實現(xiàn)從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變，以水資源可持續(xù)利用支持流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。水文資料是水資源管理的基礎(chǔ)資料，改善水文監(jiān)測條件也是水資源可持續(xù)利用和水資源管理的需要。

沈丘水文站位于河南省周口市沈丘縣城關(guān)鎮(zhèn)李墳村，設(shè)立于1951年4月，集水面積3 094 km2。該站是豫、皖兩省重要省界站，流域省界水資源水量監(jiān)測是流域水資源管理關(guān)注的重點之一,是流域兩省級行政區(qū)水量分配、取水總量控制管理的重要依據(jù)。能坡法流量監(jiān)測系統(tǒng)建成后可實現(xiàn)水位和流速數(shù)據(jù)自動采集、流量自動計算、存儲、傳輸至目的地。

系統(tǒng)建設(shè)結(jié)合計算機處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M技術(shù)，將常規(guī)的水文要素監(jiān)測方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉⒋尜A、傳輸運用的體自動化、數(shù)字化的過程。結(jié)合國內(nèi)已建成的水文監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，建設(shè)技術(shù)先進的信息采集與展示系統(tǒng)。

系統(tǒng)建設(shè)注重實用性、可靠性的結(jié)合，采用成熟的自動測控技術(shù)、計算機通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，確保系統(tǒng)的信息采集與管理系統(tǒng)實用性。系統(tǒng)建設(shè)后，將進一步提高本站的測驗?zāi)芰Γ玫貫閲窠?jīng)濟建設(shè)提供服務(wù)，為下游防洪和區(qū)域水資源管理提供可靠的水文監(jiān)測資料。

2　能坡法測流系統(tǒng)簡介

2.1能坡法測流系統(tǒng)原理

能坡法是以曼寧公式為基礎(chǔ)，借助水力學(xué)實驗方法，從矩形、三角形斷面入手，尋求垂線流速與斷面平均流速的關(guān)系，建立與曼寧公式具有相同結(jié)構(gòu)形式的垂線流速公式；改天然河道中綜合糙率為分解糙率；并以二條實測垂線流速為已知條件反求能坡（水流能量坡度）參數(shù)，代替曼寧公式中比降與糙率的比值關(guān)系，從而使成果精度顯著提高，并借助等效流量原理，解決多種非恒定、非均勻流條件下流量計量問題。即在計算垂線流速的過程中，不規(guī)則斷面可得到相應(yīng)的處理。將需要計算流速的垂線置于水深等于該垂線水深、水面寬等于相應(yīng)水位下水面寬的虛擬矩形、三角形斷面中，分別求出垂線在兩種虛擬斷面中的流速，根據(jù)兩虛擬斷面中平均流速之差與夾在兩虛擬斷面中的不過水部分的面積占兩種虛擬斷面面積差的比重，用“比例分成法”求出垂線的實際流速，然后以所求得的各垂線流速，用“流速－面積法”計算流量方法求出全斷面流量。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

能坡法流量實時在線自動監(jiān)測系統(tǒng)由流速信息采集、流量計算、數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)以及基于數(shù)據(jù)庫在線流量的查詢系統(tǒng)組成。通過運行系統(tǒng)軟件，完成信息采集、計算、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、展示、數(shù)據(jù)維護、數(shù)據(jù)分析計算等一系列功能。測站端計算機運行流量計算程序和數(shù)據(jù)傳輸軟件。信息中心服務(wù)器運行數(shù)據(jù)接收模塊、提供數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)頁服務(wù)。這樣，在測站端自動監(jiān)測流速等數(shù)據(jù)，計算出流量，上傳至信息中心服務(wù)器。信息中心服務(wù)器接收并入庫，再以網(wǎng)頁形式，為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、維護、分析等服務(wù)。系統(tǒng)設(shè)備包括：浮子式水位計、Flowscout2000型聲學(xué)多普勒流速流量剖面儀、配套儀表等，儀器安裝于河道底部，由河底向水面發(fā)射聲波進行測量。

2.3斷面流量計算

根據(jù)河段和斷面資料劃分出斷面的分塊糙率，計算出第V'i條垂線流速。用第i條實測流速Vi作為已知的條件，則能坡參數(shù)計算可用垂線流速逆運算法求得。

在已知大斷面的情況下，只要測量出測速垂線的垂線平均流速，即可計算出斷面上任一條垂線流速及水深，進而推算斷面流量。

式中:kc—是垂線影響系數(shù)，與河底的質(zhì)地、形狀及能坡不均勻分布有關(guān)；kv—動力因子，是垂線產(chǎn)生流速的動力因素,與垂線平均流速、水深有關(guān)，其中：

如圖1，當斷面設(shè)有兩條實測流速垂線時，可求得兩個能坡參數(shù)值，左邊垂線至左岸各垂線流速計算采用左垂線的能坡參數(shù)值計算，中間部分垂線采用左、右兩垂線能坡參數(shù)的差值按線性內(nèi)插法計算各垂線流速，右垂線至右岸之間垂線采用右垂線能坡參數(shù)計算各垂線流速。

圖1　垂線流速圖

待斷面上各垂線平均流速值求出后，回歸至傳統(tǒng)的流速儀測量方式對斷面流量進行計算。兩條流速垂線位置不應(yīng)該選擇岸邊和中泓，應(yīng)該分別選擇在距左、右岸約1/4水面寬為宜。

3　系統(tǒng)運行及維護

3.1系統(tǒng)運行

3.1.1系統(tǒng)需求

硬件環(huán)境：服務(wù)器CPU Intel Corei3以上內(nèi)存2GB以上硬盤80GB以上；軟件環(huán)境：Windows8，SQL Server2008。

3.1.2軟件安裝

在安裝本系統(tǒng)之前，需先安裝.Net Framework、SQL Server2008，安裝方法請參照.Net Framework及SQL Server2008有關(guān)說明。將光盤插入到光盤驅(qū)動器中，從"我的電腦"或資源管理器中進入該光盤驅(qū)動器，雙擊"Setup.exe"文件啟動安裝程序。以后按程序提示進行。

3.1.3軟件卸載

從“控制面板”的“添加刪除程序”中選擇“橫斷面垂線平均流速分布計算模型”程序項，按“添加或刪除”，或雙擊安裝程序目錄下的unins.exe，即可卸載本軟件。

3.2系統(tǒng)維護

3.2.1重啟工控機

重啟工控機后，在啟動菜單中的程序會自動啟動，其中與本系統(tǒng)有關(guān)程序為（橫斷面垂線平均流速分布計算模型）AutoWaterSystem.exe。

3.2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接異常

系統(tǒng)提示網(wǎng)絡(luò)連接異常，工控機與遠程服務(wù)器之間無法連接，主要有以下原因，工控機網(wǎng)絡(luò)故障，如網(wǎng)線斷開、中毒、網(wǎng)卡損壞、網(wǎng)絡(luò)被禁用等；遠程服務(wù)器離線（服務(wù)端常開）。

解決方法：點擊開始－控制面板－網(wǎng)絡(luò)和Internet－查看網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，檢查網(wǎng)線是否斷開。

3.2.3流速信號異常

系統(tǒng)狀態(tài)界面不顯示串口數(shù)據(jù)信息，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因一般是串口故障，如串口松動等；也可能是流速儀故障，如流速儀配套儀表未開機、流速儀線路或探頭故障。

解決方法：查看工控機及流速儀配套儀表各串口接觸是否良好；各設(shè)備開機，查看“橫斷面垂線平均流速分布計算模型”系統(tǒng)狀態(tài)界面提示信息。若提示“串口COM沒有打開”、“串口COM發(fā)送命令出現(xiàn)錯誤”，則為工控機串口或工控機串口連接線故障；若連續(xù)提示“記錄量設(shè)備一0設(shè)備二0”則為流速儀線路或探頭故障。

4　結(jié)語

基于能坡的垂線平均流速分布模型，以過水斷面為基礎(chǔ)，通過一條或兩測速垂線，借用大斷面，可快速、精確地計算出斷面流量。由于只測一到二條垂線平均流速，大大地縮短了測流歷時，在陡漲陡落的中小河流搶測洪峰時，測驗精度會高于常測法，適合在大洪水期間報汛、水文巡測、水文應(yīng)急測驗、水資源監(jiān)測等場合使用，也可做成明渠流量計實時在線監(jiān)測。

該模型的適用范圍比較廣泛，該模型用于人工測流時，可以采用船測、橋測、纜道測流、涉水測流、電波流速儀測流甚至是浮標測流，只要能測到一條垂線的流速就行；用于自動測流時，最少只用套測速設(shè)備，可以把建設(shè)成本降至最低；且該模型用前不需率定，只要有大斷面就可以使用，無資料的新建站也可使用。模型在實際應(yīng)用時，寬度在50m以內(nèi)的人工渠道用一條測速垂線即可取得較高的精度；對于寬度在50m以上的寬淺河道，建議用兩條測速垂線，一條用于計算，另一條用于誤差校正，可取得較高的精度，同時可以預(yù)估測驗誤差。

由于模型采用了概化的垂線影響系數(shù)，因此在應(yīng)用時可能與實際情況有差別。對于復(fù)雜的測驗河段，應(yīng)對垂線影響系數(shù)進行水位分級，不同級別的水位，使用不同的垂線影響系數(shù)，以提高測驗精度。由于只用一條或兩條垂線平均流速計算其它垂線平均流速，因此實測的垂線平均流速必須準確。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

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2016-5-22