富天生

（遼寧江河水利水電新技術設計研究院，遼寧沈陽 110003）

1 灌區(qū)概述

2 流速儀工作原理特點

灌區(qū)渠道瞬時流量的觀測方法與成果，對灌區(qū)量水精度、滲漏量計算至關重要，目前，對采用旋漿式流速儀法與手持電波流速儀法存在不同見解。

2.1 旋漿流速儀

旋流速儀也稱為水平軸式流速儀，由幾個平面帶角度的葉片角度均勻地安裝在一輪殼上，或者由2個或2個以上的螺旋狀槳葉環(huán)繞著槳軸組成旋槳。當放進水流時，此旋槳環(huán)繞水平軸轉動[1]。旋槳以待測水流為驅動，以一定角速度轉動，其回轉速率“n”與瞬時流速“V”之間存在著一定的函數(shù)關系式V=f（n），通過已知流量試驗檢定水槽多次試驗確定，f（n）由實測轉數(shù)“N”及實測歷時“T”確定，通過計算得出測點瞬時流速。

旋漿流速儀特點：1）儀器設備。測量精度高，測流范圍大，價格低，儀器附件多。2）人員配備。需要至少2人以上配合協(xié)作，操作步驟多，測流時間長，當水流瞬時流速高時，測瞬時流速有一定危險。3）環(huán)境。適合水流流速較低的淺水河流，當漂浮物、懸浮物及泥沙含量大時受干擾較大。

2.2 手持式電波流速儀

手持式電波流速儀主要由雷達槍探測槍、鋰電池手柄、220 V充電器、三腳架、羅盤瞄準器、手提箱等部分構件組成。其利用多普勒效應原理，由雷達探測槍向所測水面發(fā)射出微波能量束，當這個波束的能量撞擊目標時，一小部分波能量返回雷達探測槍，返回信號的頻率變化與目標的速度成一定比例，根據(jù)發(fā)射和返回信號頻率的不同測定水面流速[2]。

手持式電波流速儀特點主要體現(xiàn)在：

1）儀器設備。①儀器體積小，攜帶方便，測流時間短；②俯仰角，手持測量時俯仰角難以準確把握儀器垂直角角度不變，導致待測點瞬時流速不一致，測量結果不同[3]；③參數(shù)設置（流速方向，靈敏度），參數(shù)設置較多，設置不合理會導致測得流速過低，增大測量誤差。

2）人員配備。人員不足時，1人也可完成測流工作。

3）環(huán)境。不受漂浮物、懸浮物、泥沙的影響，而且水面的波浪和漂浮物有利于手持電波流速儀測得更穩(wěn)定的流速數(shù)據(jù)，并增大量程范圍。風對水面流速影響極為明顯，但當水面過于平靜會導致回波能量微弱測不到流速。相反，手持電波流速儀可以測到很遠的流動物體，并且隨時可能使測得瞬時速度突然變大或突然變小。

然而，拉斐爾前派所處的維多利亞時代的英國，早已是另一番景象，工業(yè)文明帶來的塵囂讓曾經田園牧歌的國度變得擁擠又骯臟，表現(xiàn)這樣一個處處充斥著鋼鐵濃煙和冷漠自私的真實世界也與內心的理想不符，于是，美好的過去和寧靜的自然便成為了藝術最終的去處。

3 瞬時流速測量方法及步驟

測量方法采用旋漿流速儀三點法測流與手持式電波流速儀測定表面流速比對試驗。

3.1 儀器選擇

1）旋漿式流速儀。選用德國RHCM，測量范圍：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）；存儲器：4M；環(huán)境溫度：0～+50℃；防護型手持終端：IP65；歐共體標準（CE）：EN 50081-1，EN 50082-2；測量周期：14 s；數(shù)據(jù)保存時間：100年；電源：內置9 V鋰電池或外置7～12 V，最大電流12 mA。

2）手持式電波流速儀，選用美國德卡托Decatur，SVR，測速范圍：0.30～20.00 m/s；測速精度：±0.05 m/s；分辨率：0.01 m/s；最大測程：100 m；電波發(fā)射角：12°；電波發(fā)射標準功率：70 mW；電波頻率：34.7 GHz（不易受雨霧天氣影響）；工作溫度：-30～+70℃；防水：符合國際強度標準IEC529∶1989和歐洲共體標準EN60529；等級：IP55.12；供電電壓：+8.5～+16.5 VDC，最低電壓值：+8.5VDC；角度補償：垂直和水平，內置俯仰角感測器，俯仰角自動補正；顯示：LCD背光燈。

3.2 斷面選取

上下游待測斷面均為梯形規(guī)則斷面，上游為混凝土預制板襯砌結構，頂寬11.0 m，底寬9.5 m，坡比1∶1，水深1.6～2.1 m；下游為混凝土土工格式襯砌結構，頂寬13.0 m，底寬9.5 m，坡比1∶2，水深1.2～1.4 m。測流渠道平直、水流均勻，無巨大塊石、漩渦、亂流現(xiàn)象；新修渠道縱橫斷面規(guī)則，襯砌斷面規(guī)整。測流斷面與水流方向垂直，測流斷面上下游及附近無影響水流的建筑物和草木等等。

3.3 測線布置

待測流斷面形式基本無變化，采用水深與瞬時流速同時測量，根據(jù)規(guī)范要求：在比較規(guī)則整齊的渠床斷面上，任意2條測速垂線的間距不大于渠寬的1/5，在坡腳，最大水深點、渠底起伏轉折點等處寬度范圍內均勻布置6條垂線[3]。如圖1所示。

圖1 測流斷面測線布置圖

3.4 數(shù)據(jù)整理與計算

梯形斷面混凝土襯砌結構渠道，根據(jù)GB/T21303-2007《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》文中5.6.2論述，無實測資料時，梯形斷面混凝土襯砌渠段的岸邊流速系數(shù)α=0.80～0.85，α值的選取對流量的觀測有至關重要的作用[4]-[6]。此次測流兩岸邊坡光滑，均勻平整，選取岸邊流速系數(shù)α=0.85。具體計算過程如下：

左側岸邊平均流速：V左=αV1，

各垂線平均流速：

右側岸邊平均流速：V右=αV11；

各部分斷面面積，即相鄰2條測線位置水深與間距的截面面積：

以遼陽三分干渠為例，實測斷面樁號1+510.00 m，施測時間為2016年8月5日8：00—12：00，通用測算儀為XHW-1，旋漿式流速儀計算公式V=0.257 4N/T+0.006 2。實測斷面1觀測成果見表1，2。

此次比對試驗共實測了20個過水斷面，由實測數(shù)據(jù)得出：手持電波流速儀，基本能滿足渠道流量觀測要求[7]，但取決于待測流量的精度標準要求，例如測山洪洪峰流量，大江大湖較大流量測驗，在所測位置不能停留較長時間，宜選取手持電波流速儀。從科學研究角度，渠道流量、滲漏量觀測復核計算中，宜選取傳統(tǒng)旋漿式流速儀測流，主要原因是水體具有粘滯性，水面的流速比水底的流速大，因為水面與空氣接觸，交界處的摩擦力較小。從河槽、渠道過水斷面流速分布類似等值線圖可以看出，河底和河岸附近流速最小，河流中央流速最大，水面流速由岸邊向最大水深方向增大。但旋漿式流速儀測流操作步驟繁瑣[8]，需要配備人員設備較多。尤其觀測平臺的設計與組裝、結構力學計算，支撐平臺雍水曲線計算，需要更專業(yè)的技術知識支撐。另外從幾何角度分析，手持電波流速儀測得為水面一條線流速分布的算數(shù)平均值，而旋漿流速儀測得水中不同深度多條線上流速分布算數(shù)平均值，因此旋漿流速儀測得結果更接近真實值。

表1 旋漿式流速儀瞬時流速、流量觀測成果表

表2 手持式電波流速儀流速、流量觀測成果表

4 測流誤差消除

檢查儀器編號與檢定流速公式系數(shù)是否對應，檢查儀器及附屬設備是否齊全，包括旋漿、固緊部件、轉軸、機油、黃油、接觸絲、三腳架等相關附件；機身架內腔機油注入量是否為1/3孔高，軸套與機身駕之間間隙為0.4 mm，避免間隙過小或過大磨邊；手持儀器身架吹動旋漿，檢查靈敏度是否啟動靈活，有無顫動、跳動、卡制[9]-[12]；擰固軸螺絲時避免用力過猛，導致旋轉軸歪斜；測深時保持測桿垂直狀態(tài)，讀數(shù)時水平讀??；結果值采用水平讀數(shù)折算雍水高度，即每條測線實際水深度Hn=hn+△h；通常當有水草或纏繞物纏繞時，導致信號周期加長，流速儀測點定位后，3個正常信號通過之后開始計時，每一個測點測速歷時不少于100 s；盡量無風時刻觀測測流，注意觀察渠道含泥沙及水草情況。

5 結語

通過大量斷面瞬時流速觀測數(shù)據(jù)比對實驗分析，手持電波流速儀測量數(shù)據(jù)結果略大于旋轉流速儀，但其優(yōu)點是方便快捷，安全性較高，在科研觀測時建議采用旋漿式流速儀與手持電波流速儀結合使用。旋轉流速儀集水流內部不同深度的速度進行加權修正，手持電波流速儀集水面流速加權平均，二者結合更接近灌區(qū)渠道本身流量真實值。同時再進一步完善測流儀器的方法步驟，研制把觀測船、觀測平臺與流速儀結合為一體的實用新型方式，例如測桿采用刀刃刻度逆水方式，減小雍水高度的影響，讀數(shù)采用高清攝像及水準儀觀測方式讀取，極微小水位線影響觀測平臺設計，進一步提升測流方法與技術。

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［2］鄭應成.手持式電波流速儀在中小河流巡測中的可行性研究［J］.水利信息化，2013（002）.

［3］GB/T21303-2007，灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2008（03）.

［4］陸春燕.淺談流速儀在渠道測流時應注意的幾個關鍵環(huán)節(jié)［J］.陜西水利，2013.0z1.

［5］杜文成，吳海山，田連生，曲忠如.流速儀在垂直偏角情況下測速誤差的研究［J］.水文，2000（01）.

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