渠道流轉(zhuǎn)礦藏儀器儀表用基礎(chǔ)技藝原理勘驗(yàn)和認(rèn)定

1河渠流量測(cè)驗(yàn)的經(jīng)典技術(shù)理論
　　眾所周知，在河渠測(cè)流斷面上各水質(zhì)點(diǎn)流速分布不均，其分布情況稱(chēng)為流速場(chǎng)。測(cè)流目的就是把斷面中各水質(zhì)點(diǎn)的流速分布測(cè)出來(lái)，然后繪出流速等值線(xiàn)圖，再用兩相鄰等速線(xiàn)的均值乘以它們之間所夾的面積，并進(jìn)行累加得流量。這就是經(jīng)典測(cè)流法，叫流速―面積法。即流速是測(cè)出來(lái)的，流量是算出來(lái)的。用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，即Q=VA，即流量等于斷面平均流速速乘以過(guò)水面積。為什么把流速―面積法稱(chēng)為國(guó)際經(jīng)典技術(shù)方法？舉例，如青藏高原平均海拔高程在4000m以上，高原上有高山、峽谷、平原等。計(jì)算高原平均海拔高程時(shí)，首先在地圖上繪制等高線(xiàn)，然后，從低高程區(qū)開(kāi)始，用相鄰兩條等高線(xiàn)的平均值，乘以它們之間所包圍的面積，沿高程的增高進(jìn)行累加后，除以整個(gè)高原區(qū)的面積，即得全高原平均海拔高程。類(lèi)似的例子，如全國(guó)、省、流域年平均降水量的計(jì)算，首先是由于各地年降水量分布不均，其平均年降水量的求法，就是根據(jù)各雨量觀測(cè)站的年降水量，繪制年降水等值線(xiàn)圖，再用計(jì)算平均海拔高程的相同原理計(jì)算出平均年降水量。
　　但是在河渠流量測(cè)量中，為了便于實(shí)施測(cè)流，作業(yè)時(shí)是在斷面的同一起點(diǎn)距上，沿水深垂直方向施測(cè)n個(gè)點(diǎn)的流速，然后算出平均值，這就是眾所周知的垂線(xiàn)平均流速。這種手段轉(zhuǎn)換方法，把一條垂線(xiàn)上本來(lái)不相等的各水質(zhì)點(diǎn)流速，有效地變成了一條等速垂線(xiàn)。由垂線(xiàn)流速再用流速―面法算出全斷面流量。為此，河渠流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范規(guī)定，（轉(zhuǎn)子式）流速儀法的測(cè)量成果可作為率定或校核其他測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)。因此，無(wú)論何種類(lèi)型的儀器，技術(shù)如何先進(jìn)，在用于河渠流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)就是垂線(xiàn)流速法的實(shí)測(cè)流量成果，它就是所謂的“真值”，或相對(duì)真值。通常說(shuō)的“比測(cè)”，就是指與垂線(xiàn)流速實(shí)測(cè)成果進(jìn)行的對(duì)比觀測(cè)。所以，河渠中垂線(xiàn)流速測(cè)流法是水文“看家的本事”之一。它也是對(duì)各種類(lèi)型的先進(jìn)儀器設(shè)備、技術(shù)方法進(jìn)行鑒定和評(píng)價(jià)的有效方法之一。
　　2對(duì)當(dāng)前由國(guó)外引進(jìn)的新測(cè)速儀及其適用性能分析
　　近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其聲學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，新儀器、新設(shè)備的引進(jìn)和應(yīng)用，為流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了革命性的變革。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)流法相比，它們測(cè)速快、技術(shù)先進(jìn)、效率高。每秒鐘可采集數(shù)組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大，并以此克服水流脈動(dòng)等因素的影響，使人耳目一新。目前國(guó)內(nèi)水文系統(tǒng)引進(jìn)的先進(jìn)儀器設(shè)備中，常見(jiàn)的有時(shí)差法類(lèi)型的超聲波流速儀和聲學(xué)多譜勒剖面流速儀。
　　2.1時(shí)差法超聲波流速儀
　　測(cè)速原理，簡(jiǎn)單地說(shuō)，它是由河渠一岸發(fā)射超聲波至對(duì)岸的固定裝置上，這樣對(duì)岸接收的聲波流速中，便含有了水流的速度，利用公式即可算出水流速度。即它是測(cè)取水下一條固定水平線(xiàn)的平均速度，然后乘以過(guò)水面積，得出流量。顯然為提高測(cè)流精度，通常的做法是在水面以下不同水深安裝數(shù)組儀器，測(cè)取水面下多條水平線(xiàn)平均流速，然后沿水深用相鄰兩水平線(xiàn)的平均流速的均值乘以它們之間所夾的面積，得部分流量，最后再進(jìn)行累加，得全斷面流量。所以，儀器安裝組數(shù)越多，精度會(huì)越高。
　　2.2聲學(xué)多譜勒剖面流速儀
　　聲學(xué)多譜勒剖面流速儀通常叫做ADCP，其測(cè)流原理是當(dāng)振源發(fā)射超聲波遇到物體（如水流中的氣泡或懸移質(zhì)）時(shí)會(huì)發(fā)生反射，但是當(dāng)振源與物體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，振源接收到的反射波頻率將發(fā)生變化，稱(chēng)為頻移。該頻移現(xiàn)象叫多譜勒效應(yīng)。因此通過(guò)測(cè)量頻移的方法即可以算出水流運(yùn)動(dòng)的速度。
　　當(dāng)把ADCP換能器固定安裝在河渠的一岸時(shí)稱(chēng)為水平式H―ADCP流速儀，它可以測(cè)取水下固定高程一個(gè)層面中的部分（如從岸邊至河流中部）流體的平均流速，并定義為“指標(biāo)流速”，然后與斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系。為此要有n個(gè)不同水位級(jí)下和大小不等的流量，用回歸方程的方法建立相關(guān)線(xiàn)，相關(guān)線(xiàn)確定后，即可通過(guò)測(cè)“指標(biāo)流速”的方法，從相關(guān)線(xiàn)上查求流量。所以，水平多譜用經(jīng)典技術(shù)理論檢驗(yàn)H―ADCP）測(cè)流法可以做到通過(guò)測(cè)量相關(guān)指標(biāo)的方法得到在線(xiàn)流量，但不是直接通過(guò)實(shí)測(cè)流速和流量的方法得到在線(xiàn)流量。
　　當(dāng)把ADCP安裝于載體（如船）上橫穿河流時(shí)，ADCP發(fā)射的聲波會(huì)接收到不同水深處眾多水質(zhì)點(diǎn)（氣泡或懸移質(zhì)）的反射波相應(yīng)頻移，并算出被測(cè)量流速，從而得到斷面流速分布場(chǎng)。之后，可以通過(guò)三種軟件處理方法得到實(shí)測(cè)流量。一是繪制流速等值線(xiàn)圖，并對(duì)兩相鄰等值線(xiàn)值取平均，再乘以它們之間包圍的面積，進(jìn)行累加，即得到流量。二是沿?cái)嗝鎸捤愠龆鄺l垂線(xiàn)平均流速，之后對(duì)相鄰兩垂線(xiàn)平均流速取平均，并乘以?xún)纱咕�(xiàn)間所夾面積，累加后得斷面流量。三是沿水深算出多層從一岸至對(duì)岸水平線(xiàn)平均流速后，用上述垂線(xiàn)流速計(jì)算流量的方法算出流量。上述三種方法的作法不同，但原理是一致的，都是經(jīng)典的流速―面積法。
　　那么，結(jié)合河渠流量測(cè)驗(yàn)經(jīng)典技術(shù)理論，對(duì)于河渠中的流量測(cè)量，應(yīng)該如何評(píng)定當(dāng)前國(guó)內(nèi)引進(jìn)的上述兩類(lèi)先進(jìn)的超聲波、聲學(xué)ADCP流速儀呢？顯然，判別好壞的第一條標(biāo)準(zhǔn)，就是用垂線(xiàn)流速法比測(cè)，其次是對(duì)適應(yīng)性各類(lèi)指標(biāo)情況的分析。如果有人認(rèn)為ADCP比轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)的更準(zhǔn)確，對(duì)于這種認(rèn)為，至少是缺乏科學(xué)依據(jù)。但是由于這是一類(lèi)新形勢(shì)下出現(xiàn)的新問(wèn)題，目前的河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范中，只有垂線(xiàn)流速一點(diǎn)、二點(diǎn)法等測(cè)流誤差評(píng)定辦法，為此筆者認(rèn)為可分兩種情況：
　　（1）相同流量、相同邊界條件下的檢驗(yàn)。例如在同一過(guò)水?dāng)嗝嬷�，用多線(xiàn)多點(diǎn)法測(cè)得的流量為相對(duì)真值，其它類(lèi)型的儀器設(shè)備，如走航式ADCP反復(fù)測(cè)量n次，差別很小。檢測(cè)結(jié)果表明，走航式ADCP儀器性能穩(wěn)定。
　　（2）在不同的流量、不同的邊界條件下的檢驗(yàn)。由于流量測(cè)驗(yàn)誤差來(lái)自水位測(cè)量、斷面測(cè)量、儀器標(biāo)定參數(shù)、水流及邊界條件復(fù)雜程度等多個(gè)方面。因此，通常要用轉(zhuǎn)子式流速儀按多線(xiàn)、多點(diǎn)法施測(cè)30次不同水位級(jí)時(shí)大小不等的流量，作為一個(gè)樣本。然后用新的儀器設(shè)備與相對(duì)應(yīng)的30次流量分別復(fù)測(cè)一遍，進(jìn)行誤差分析。按規(guī)范規(guī)定，系統(tǒng)誤差不超過(guò)±1％，均方差不大于4.0％，不確定度不超過(guò)8.0％，視為達(dá)到了一類(lèi)精度標(biāo)準(zhǔn)。此外，還有二類(lèi)、三類(lèi)精度標(biāo)準(zhǔn)等。
　　對(duì)照流量測(cè)量經(jīng)典理論以及以上兩點(diǎn)檢驗(yàn)方法，可以發(fā)現(xiàn)：
　�。�1）時(shí)差法超聲波流速儀通常需要安裝數(shù)組流速儀，價(jià)格不菲。
　　如果僅安裝一組儀器，當(dāng)水位變幅較大時(shí)，其精度情況和適應(yīng)性則需要進(jìn)一步探討。如廣東省港根水文站引進(jìn)一臺(tái)德國(guó)產(chǎn)時(shí)差法測(cè)速儀。當(dāng)水位變幅超過(guò)一定變幅后，便改為走航式ADCP法測(cè)流。
　�。�2）水平式多譜勒（H―ADCP）流速儀的測(cè)流原理在理論上與水位～流量相關(guān)法是相同的，性質(zhì)上沒(méi)有任何差別。對(duì)水位～流量關(guān)系法，尤其在明渠流量計(jì)量時(shí)，傳統(tǒng)方法由于受非均勻流條件影響，水位～流量關(guān)系不確定，或堰閘測(cè)流方法中流量系數(shù)率定繁瑣，使用起來(lái)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要和時(shí)代發(fā)展要求。
　　同樣，水平式ADCP測(cè)流法也容易受上游來(lái)水（支流匯入或閘門(mén)開(kāi)啟孔數(shù)、開(kāi)啟高度等）和下游水位頂托等非均勻流因素影響，復(fù)雜多變，精度情況不能一概而論。比如，測(cè)流斷面以上建有數(shù)孔閘門(mén)，水平式ADCP安裝于左岸一側(cè)，當(dāng)只有左岸閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，“指標(biāo)流速”會(huì)偏大；相同的流量，只開(kāi)啟右岸閘門(mén)時(shí)，“指標(biāo)流速”則會(huì)偏小。還比如，測(cè)流斷面下游開(kāi)閘放水時(shí)，閘門(mén)開(kāi)啟度不大時(shí)，河底流速偏大，水面流速會(huì)很小。反之，閘門(mén)全開(kāi)，流速變化會(huì)出現(xiàn)相反情況。
　　相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)是快捷，缺點(diǎn)是相關(guān)關(guān)系建立需要周期長(zhǎng)，而且相關(guān)關(guān)系必須穩(wěn)定。如，長(zhǎng)江干流第一站屏山水文站，多年實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系為單一線(xiàn)，但是每隔三年兩載，該線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生超過(guò)規(guī)范要求的系統(tǒng)誤差。類(lèi)似現(xiàn)象如新安江上游漁梁水文站也是如此。因此，河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范規(guī)定，凡是用相關(guān)關(guān)系法測(cè)流的水文站，應(yīng)按規(guī)定用多線(xiàn)法測(cè)一年停一年，或在一年的部分水位級(jí)內(nèi)實(shí)行間測(cè)。
　�。�3）走航式ADCP測(cè)流的先進(jìn)性明顯。不足地方如存在四個(gè)盲區(qū)，其一是儀器入水深度和換能器以下盲區(qū)。該盲區(qū)大小取決于儀器的發(fā)射脈沖波寬度大小，有的可達(dá)1m左右。二是河底盲區(qū)，因?yàn)楹拥讓儆诼暡ㄐ盘?hào)強(qiáng)反射區(qū)，容易使測(cè)速信號(hào)失真。該盲區(qū)大約占水深的15％。第三、四大盲區(qū)是指左、右岸邊，如同河底區(qū)一樣，同屬于聲吶信號(hào)強(qiáng)反射并使其失真的區(qū)域。對(duì)于這四部分盲區(qū)的流量通�？赏ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)模型插補(bǔ)求出。同時(shí)，走式ADCP更適合于大江、大河的下游平原區(qū)的河道流量測(cè)驗(yàn)，快捷、方便。因?yàn)楫?dāng)流速大于3.0m/s時(shí)，作業(yè)難度大；小于0.1m/s時(shí)，常有數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。試驗(yàn)還表明，走航式ADCP測(cè)流一般要在4個(gè)單次以上，否則單次測(cè)流成果的誤差會(huì)大大超出規(guī)范允許誤差，所以不具備連續(xù)測(cè)流的功能
　　。但總體來(lái)說(shuō)，走航式ADCP在適用范圍內(nèi)，測(cè)流先進(jìn)性明顯。
　　（4）其他。如雷達(dá)式水面測(cè)流儀，測(cè)流原理是只測(cè)水面一點(diǎn)的流速，然后通過(guò)水面流速改正系數(shù)，求出垂線(xiàn)平均流速。該法具有獨(dú)特的非接觸（水體）式（主要不受漂浮物影響）和采集數(shù)量大及快捷的優(yōu)點(diǎn)。但是如果水面流速改正系數(shù)不穩(wěn)定，就會(huì)失去意義。還有電磁式流速儀，它也是一種測(cè)點(diǎn)式流速儀，具有適應(yīng)高含沙量的優(yōu)點(diǎn)。
　　3二線(xiàn)能坡測(cè)流法簡(jiǎn)介通過(guò)對(duì)流量測(cè)驗(yàn)經(jīng)典技術(shù)理論的分析可知，采用簡(jiǎn)化測(cè)驗(yàn)的方法，即在不降低精度要求前提下，盡可能地減少測(cè)速垂線(xiàn)的條數(shù)和每條垂線(xiàn)測(cè)流的點(diǎn)數(shù)，是實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)測(cè)流的一種有效途經(jīng)。經(jīng)過(guò)20多年的研究，能坡測(cè)流法是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化測(cè)流的一項(xiàng)最新研究成果。該法于1986年開(kāi)始研究，1995年獲水利部科技成果進(jìn)步三等獎(jiǎng)。二線(xiàn)能坡法于2006年申請(qǐng)了國(guó)家專(zhuān)利。能坡法基本原理是把傳統(tǒng)的曼寧公式計(jì)算斷面平均流速的方法研發(fā)為垂線(xiàn)流速計(jì)算模型。在模型中，曼寧公式中的比降參數(shù)是通過(guò)二條實(shí)測(cè)垂線(xiàn)流速用模型方法計(jì)算的，而且通常情況下不等于水面比降。
　　為此，將此計(jì)算比降定義為能坡。利用能坡法測(cè)流，既不是相關(guān)關(guān)系法，也不是代表垂線(xiàn)法，通常只需要用二條實(shí)測(cè)垂線(xiàn)流速作模型輸入?yún)��?shù)。之后，把由二條實(shí)測(cè)垂線(xiàn)流速計(jì)算的能坡的差值內(nèi)插分配到每一條垂線(xiàn)上，用模型求出各垂線(xiàn)平均流速，最終把傳統(tǒng)的在斷面中實(shí)測(cè)多條垂線(xiàn)流速的方法，變?yōu)槟Ｐ陀?jì)算方法。
　　垂線(xiàn)流速模型可適用于各種形狀的過(guò)水?dāng)嗝妫�而且無(wú)論在雍水或落水或負(fù)水面比降等非均勻流條件下，都可以得到滿(mǎn)意的結(jié)果。
　　有關(guān)的檢驗(yàn)成果已在1994年專(zhuān)家評(píng)審時(shí)的檢驗(yàn)報(bào)告中作了詳細(xì)和全面的論證。該方法適用條件是斷面中無(wú)死水、回流和無(wú)超大漫灘發(fā)生。同時(shí)斷面要求相對(duì)穩(wěn)定，沖淤變化小。
　　二線(xiàn)能坡法作為一種簡(jiǎn)化流量測(cè)驗(yàn)方法已正式寫(xiě)入水文巡測(cè)規(guī)范。它的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)兩條實(shí)測(cè)垂線(xiàn)流速算出模型參數(shù)后，便可以計(jì)算出無(wú)數(shù)條垂線(xiàn)流速，從而做到充分保證測(cè)流成果精度。
　　在人工明渠中更容易完成高精度流量計(jì)量。同時(shí)結(jié)合點(diǎn)式或剖面ADCP流速儀，可為流量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)提供有力的技術(shù)支持。如2007年10月，國(guó)際水文標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的三任主席率各國(guó)水文測(cè)驗(yàn)專(zhuān)家20余人，在高壩洲實(shí)時(shí)在線(xiàn)水文站參觀時(shí)，首肯這是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)可以連續(xù)測(cè)流的實(shí)時(shí)在線(xiàn)流量監(jiān)測(cè)站。

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