二线能坡法基本原理

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1、附录A二线能坡法基本原理传统的流量测验是沿河渠宽在过水断面上用流速仪测量多条垂线流速，然后用部分流速面积法求出流量。这种方法被广泛应用于天然河道的流量计算中，其作业过程称为测流。天然河道遇到大洪水的时候，流速大、漂浮物多，流速仪测流法无法实施，此时常用浮标法代替，但由于浮标在河道中不仅经常上下翻滚、左右游荡，还会出现多个浮标挤到中泓区的现象。而且浮标法所测到的是上下比降断面之间的河段平均流速，不是测流断面的实际流速，所以精度不高。当遇到特大洪水的时候，还可以采用比降面积法作为备用方案，但由于比降不容易测量准确，所以精度比浮标法更差。近年来，国外声纳测流技术发展很快，电磁式、雷达

2、式测速仪也在我国开展了应用，与传统流速仪比较，技术先进、测流时间短，但价格要比传统的机械式流速仪昂贵许多。采用传统相关关系去建立流量在线实时监测系统也存在一定困难，且建设周期长和高水外延的缺点也不太好克服。能坡法为颜开等同志研制的垂线流速计算模型，1995年获水利部科技成果进步三等奖，1997年写入《水文巡测规范》(SL195-97)。随后发展为二线能坡法，通过两条实测垂线流速求出能坡参数后，即可把原来在断面中实测n条垂线流速变为计算n条垂线流速的方法。此方法已在实际应用中取得了较好的效果，2006年申请了国家专利。A.1基本思路和方法A.1.1基本思路曼宁公式诞生一百多年来经

3、久不衰，广泛应用于水利规划设计、比降面积测流法等项工作中。但公式中有关参数不易确定，故适用条件受到局限。本法以曼宁公式为基础，借助水力学实验方法，从矩形、三角形断面入手，寻求垂线流速与断面平均流速的关系，建立与曼宁公式具有相同结构形式的垂线流速公式；改天然河道中综合糙率为分解糙率；并以二条实测垂线流速为已知条件反求能坡（水流能量坡度）参数，代替曼宁公式中比降与糙率的比值关系，从而使成果精度显著提高，并借助等效流量原理，解决多种非恒定、非均匀流条件下流量计量问题。12A.1.2方法1断面分解方法断面分解方法：一分为二，先分后合。在理想的矩形断面中任意垂线将断面一分为二，垂线左、右

4、两部分断面平均流速的均值乘以改正系数α，得该垂线流速。对垂线流速沿断面宽积分，即得流量。此即断面分解，一分为二，先分后合的三个步骤。众所周知三角形断面中水深随起点距变化而变化，因此，先把三角形分解出若干条垂线，并置各垂线于水面宽等于实际水面宽，水深等于各垂线水深，流态、比降、糙率与三角形水槽相同的若干个矩形水槽中。按照断面分解，一分为二，先分后合的方法通过关系转换的手段，得到三角形断面内垂线流速公式。2不规则（实际）断面的处理－计算垂线流速即在计算垂线流速的过程中，不规则断面可得到相应的处理。将需要计算流速的垂线置于水深等于该垂线水深、水面宽等于相应水位下水面宽的虚拟矩形、三角

5、形断面中，分别求出垂线在两种虚拟断面中的流速，根据两虚拟断面中平均流速之差与夹在两虚拟断面中的不过水部分的面积占两种虚拟断面面积差的比重，用“比例分成法”求出垂线的实际流速，然后以所求得的各垂线流速，用“流速－面积法”计算流量方法求出全断面流量。A.1.3糙率分解糙率分解：先分解、后综合。天然河道中河床及边壁大都是非均质的，是由多种河床质组成的，影响糙率的因素大体上可分为三类：一类是河床及边壁的性质和粗糙程度，二类是与断面形状有关的因素，三类是与河道沿程变化有关的因素。其中第一类可通过查普通糙率表选取；第二类可通过计算垂线流速的方法加以考虑；第三类用反求能坡的方法解决。所谓糙率

6、分解，是专指第一类影响因素的分解，即将断面中不同河床质根据实际分布宽度划分开，分别根据其性质确定糙率。然后，再以他们各自对应的过水面积为权重，加权平均求出平均糙率，根据垂线所在位置糙率，加上其左、右两边高、低糙率之间通过水流梯度力产生的影响，最后用推理加实验的方法得出糙率公式。12A.1.4实测二线流速反求能坡参数天然河道中，严格讲来，水流性质大都属非均匀流。因此，用实测二线垂线流速为已知条件，反求能坡参数及比降与糙率的比值关系，由此代入曼宁公式中计算流量。A.2主要公式A.2.1矩形断面内垂线流速公式关于规则断面的流速分布和流速场理论，前人有过广泛深入的研究，但一般说来，这些

7、理论公式的结构大都比较复杂，同时由于边界条件的限制，参数较多，而且不易确定，应用不便。为此，本法从均匀流条件下的矩形断面内垂线平均流速与断面平均流速之间存在的关系入手，通过分析研究和水力学实验，找出两者之间的关系，然后根据曼宁公式的结构形式来计算垂线流速。均质边壁，矩形断的垂线流速的推求：图1矩形断面内的垂线流速沿断面宽分布情况如图1。在图1中，设断面中央（B/2）处的垂线流速为，断面平均流速为，则与之间的关系可写为：12=α=（1）式中：S为比降；n为糙率；R为水力半径；α为与矩形断面宽深