□郭東渠（河南省周口水文水資源勘測(cè)局）

能坡法測(cè)流原理及應(yīng)用

□郭東渠（河南省周口水文水資源勘測(cè)局）

能坡法是一種新型的流量測(cè)驗(yàn)?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(jì)，可以快速、精確地測(cè)量出斷面流量，結(jié)合計(jì)算機(jī)處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行，可以完成信息采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、展示、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)分析計(jì)算等一系列功能，并可實(shí)現(xiàn)流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)比較合理，適合在大洪水期間報(bào)汛、水文巡測(cè)、水文應(yīng)急測(cè)驗(yàn)、水資源監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合使用。

能坡法；測(cè)流；模型；應(yīng)用

1　概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)水資源管理工作提出了更高的要求，逐步實(shí)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(jì)社會(huì)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(cè)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(cè)是流域水資源管理關(guān)注的重點(diǎn)之一,是流域兩省級(jí)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(cè)系統(tǒng)建成后可實(shí)現(xiàn)水位和流速數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、流量自動(dòng)計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸至目的地。

系統(tǒng)建設(shè)結(jié)合計(jì)算機(jī)處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，將常規(guī)的水文要素監(jiān)測(cè)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒉杉?、存貯、傳輸運(yùn)用的體自動(dòng)化、數(shù)字化的過(guò)程。結(jié)合國(guó)內(nèi)已建成的水文監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)技術(shù)先進(jìn)的信息采集與展示系統(tǒng)。

系統(tǒng)建設(shè)注重實(shí)用性、可靠性的結(jié)合，采用成熟的自動(dòng)測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，確保系統(tǒng)的信息采集與管理系統(tǒng)實(shí)用性。系統(tǒng)建設(shè)后，將進(jìn)一步提高本站的測(cè)驗(yàn)?zāi)芰Γ玫貫閲?guó)民經(jīng)濟(jì)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(cè)資料。

2　能坡法測(cè)流系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1能坡法測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)測(cè)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(jì)量問(wèn)題。即在計(jì)算垂線流速的過(guò)程中，不規(guī)則斷面可得到相應(yīng)的處理。將需要計(jì)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(guò)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(shí)際流速，然后以所求得的各垂線流速，用“流速－面積法”計(jì)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(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由流速信息采集、流量計(jì)算、數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)以及基于數(shù)據(jù)庫(kù)在線流量的查詢系統(tǒng)組成。通過(guò)運(yùn)行系統(tǒng)軟件，完成信息采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、展示、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)分析計(jì)算等一系列功能。測(cè)站端計(jì)算機(jī)運(yùn)行流量計(jì)算程序和數(shù)據(jù)傳輸軟件。信息中心服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)接收模塊、提供數(shù)據(jù)庫(kù)與網(wǎng)頁(yè)服務(wù)。這樣，在測(cè)站端自動(dòng)監(jiān)測(cè)流速等數(shù)據(jù)，計(jì)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(kù)，再以網(wǎng)頁(yè)形式，為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、維護(hù)、分析等服務(wù)。系統(tǒng)設(shè)備包括：浮子式水位計(jì)、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(jìn)行測(cè)量。

2.3斷面流量計(jì)算

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

在已知大斷面的情況下，只要測(cè)量出測(cè)速垂線的垂線平均流速，即可計(jì)算出斷面上任一條垂線流速及水深，進(jìn)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—?jiǎng)恿σ蜃樱谴咕€產(chǎn)生流速的動(dòng)力因素,與垂線平均流速、水深有關(guān)，其中：

如圖1，當(dāng)斷面設(shè)有兩條實(shí)測(cè)流速垂線時(shí)，可求得兩個(gè)能坡參數(shù)值，左邊垂線至左岸各垂線流速計(jì)算采用左垂線的能坡參數(shù)值計(jì)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(jì)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(jì)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(cè)量方式對(duì)斷面流量進(jìn)行計(jì)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(yùn)行及維護(hù)

3.1系統(tǒng)運(yùn)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(pán)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(qǐng)參照.Net Framework及SQL Server2008有關(guān)說(shuō)明。將光盤(pán)插入到光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中，從"我的電腦"或資源管理器中進(jìn)入該光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，雙擊"Setup.exe"文件啟動(dòng)安裝程序。以后按程序提示進(jìn)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(jì)算模型”程序項(xiàng)，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(hù)

3.2.1重啟工控機(jī)

重啟工控機(jī)后，在啟動(dòng)菜單中的程序會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，其中與本系統(tǒng)有關(guān)程序?yàn)椋M斷面垂線平均流速分布計(jì)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(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間無(wú)法連接，主要有以下原因，工控機(jī)網(wǎng)絡(luò)故障，如網(wǎng)線斷開(kāi)、中毒、網(wǎng)卡損壞、網(wǎng)絡(luò)被禁用等；遠(yuǎn)程服務(wù)器離線（服務(wù)端常開(kāi)）。

解決方法：點(diǎn)擊開(kāi)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(kāi)。

3.2.3流速信號(hào)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(dòng)等；也可能是流速儀故障，如流速儀配套儀表未開(kāi)機(jī)、流速儀線路或探頭故障。

解決方法：查看工控機(jī)及流速儀配套儀表各串口接觸是否良好；各設(shè)備開(kāi)機(jī)，查看“橫斷面垂線平均流速分布計(jì)算模型”系統(tǒng)狀態(tài)界面提示信息。若提示“串口COM沒(méi)有打開(kāi)”、“串口COM發(fā)送命令出現(xiàn)錯(cuò)誤”，則為工控機(jī)串口或工控機(jī)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(yǔ)

基于能坡的垂線平均流速分布模型，以過(guò)水?dāng)嗝鏋榛A(chǔ)，通過(guò)一條或兩測(cè)速垂線，借用大斷面，可快速、精確地計(jì)算出斷面流量。由于只測(cè)一到二條垂線平均流速，大大地縮短了測(cè)流歷時(shí)，在陡漲陡落的中小河流搶測(cè)洪峰時(shí)，測(cè)驗(yàn)精度會(huì)高于常測(cè)法，適合在大洪水期間報(bào)汛、水文巡測(cè)、水文應(yīng)急測(cè)驗(yàn)、水資源監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合使用，也可做成明渠流量計(jì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

該模型的適用范圍比較廣泛，該模型用于人工測(cè)流時(shí)，可以采用船測(cè)、橋測(cè)、纜道測(cè)流、涉水測(cè)流、電波流速儀測(cè)流甚至是浮標(biāo)測(cè)流，只要能測(cè)到一條垂線的流速就行；用于自動(dòng)測(cè)流時(shí)，最少只用套測(cè)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(wú)資料的新建站也可使用。模型在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，寬度在50m以內(nèi)的人工渠道用一條測(cè)速垂線即可取得較高的精度；對(duì)于寬度在50m以上的寬淺河道，建議用兩條測(cè)速垂線，一條用于計(jì)算，另一條用于誤差校正，可取得較高的精度，同時(shí)可以預(yù)估測(cè)驗(yàn)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(shí)可能與實(shí)際情況有差別。對(duì)于復(fù)雜的測(cè)驗(yàn)河段，應(yīng)對(duì)垂線影響系數(shù)進(jìn)行水位分級(jí)，不同級(jí)別的水位，使用不同的垂線影響系數(shù)，以提高測(cè)驗(yàn)精度。由于只用一條或兩條垂線平均流速計(jì)算其它垂線平均流速，因此實(shí)測(cè)的垂線平均流速必須準(zhǔn)確。

（責(zé)任編輯：劉長(zhǎng)垠韋詩(shī)佳）

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2016-5-22