浅论水资源水量监测技术及应用

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1、浅论水资源水量监测技术及应用　　“十一五”期间国家重点建设的防洪安全、城市供水保障等大型监测体系都需要有水资源水量监测子系统。“十一五”水文发展主要任务之一，是强力提升水文水资源监测能力，提高水文测报能力和测报自动化水平[1]。本文对比分析了流量测验方法的适用性，结合案例介绍了监测技术的应用。快速、准确地开展流量测验，已经成为水资源保护、开发和利用以及防汛抗旱的基本要求[2]。1监测技术简述流量测验是水文工作的主要任务之一。中国的流量测验，以流速仪法、浮标法为主[3]。随着过河设备的改进，流速仪测流能力和浮标法的适应能力都有很大的提高。研制和改进了流

2、速仪、回声测深仪、超声波测速仪等仪器，对流量测验误差、浮标系数、用铅鱼测深的悬索偏角改正、堰闸测流、动船测流、潮水河测验方面作了许多实验研究工作，制订了有中国特点的规范。在世界上，尽管流量测验方法很多，但仍以流速仪法、浮标法、比降法为主。中小河流量水建筑物的应用也比较广泛。传统的流量测验手段由于其历时长、自动化程度低等固有的缺点，越来越不能满足经济社会和水文事业发展的需要；不稳定流、受潮汐影响以及受人类活动影响的流量测验，使用传统的测验手段更是难以实现[2]。先进的量测技术、量测仪器和试验设备，是取得高精度测验成果、获得高水平科研成果、取得科技新突破

3、和证安全生产的重要手段。常用测验方法流速面积法。这是使用最广泛的方法。其基本原理是：通过横断面上单元面积的流量是该面积与水流速度(流速)的乘积。分别测量各个部分的流速和面积即可求得流量。此类方法要在断面上布设许多测深垂线，在垂线上测量水深，并测定垂线与岸上断面起点桩间的距离，即起点距。施测水深可以用测深杆、测深锤、铅鱼或回声测深仪。两相邻垂线起点距之差即部分宽，乘以部分平均水深，即为部分面积，其总和即断面面积，根据断面测量的资料，可以绘出以起点距为横坐标、河床高程为纵坐标的断面图。该方法一般使用流速仪施测。常规的作法是在部分或全部测深垂线上用流速仪测

4、定流速，用部分平均流速与部分面积之乘积作为部分流量，部分流量的总和即为断面流量。建筑物法。基本原理是：通过跨河建筑物的流量同上游水头，上下游水位差等存在的函数关系。可以在断面上设置标准形式的水量建筑物，观测水位，用水利学公式推算流量。此法精度好，工作方便，但造价较高，一般用于中小河流。河流、渠道上的涵闸、水库的泄水建筑物、抽水站水电站的过水设备等，在条件适合时，也可用来测量流量，但其流量系数要在现场用其他方法实测流量来进行率定。包括：①量水槽。最适合含沙量大的河渠使用，施测范围—90m3/s。②量水堰。根据出口断面形状不同，量水堰可分为三角形、矩形、

5、梯形、抛物线型，适用于含沙量小的河流，实测范围/s。浮标法。要设置上、中、下三个断面。从上游投放浮标，测定其流经上下断面的历时和经过中断面的位置。以上下断面间距除以历时求得浮标流速，再乘以系数，可求得垂线平均流速。然后，用类似流速仪法的步骤，计算部分流量与断面流量。有水面浮标、浮杆、双浮标等形式。超声波法。适用于含沙量较小、漂浮物较少的河流。通过在河的两岸用换能器同时朝着两个方向发射穿透水体的脉冲信号来测量声波在水中的传播速度。或是将两个换能器安装在同一河岸，在另一岸设置反射器或转换器。换能器的安装位置应使发出的脉冲在一个方向是逆水传播，在另一个方向

6、上是顺水传播。这两个超声波速度之间的差值与该换能器所在高程上水流的速度有关。该速度又可同整个断面的平均流速建立关系，同时具备断面面积和水位间的关系后，可以通过实测的流速和水位推求流量。电磁法。适用于水草丛生、漂浮物较多、河床冲淤严重的河道。当水流穿过一个垂直磁场，电磁感应在河流两岸之间形成小电势。用一个线圈横埋在河床或桥底部，构成一个过水的磁场。所产生的电势与河宽、磁场和断面平均流速成正比。断面平均流速与过水断面面积的乘积即为断面流量[4]。流量自动测量声学法流量测量仪器又被称为超声波流量仪器，这是因为早期使用的声波频率基本上在超声波的频率范围内，而

7、目前已发展到较高频率，所以统称为声学法流量测量仪器。在明渠中应用声学流量仪器测流，测得流量的原理属流速面积法。它是先直接测得某水层的平均流速或某垂线、某部分水层平均流速，并以此由经验模型推算出断面平均流速。有时需要加入水位因素进行断面平均流速计算。过水断面面积由已知断面形状参数和自动测得的当时水位推算。断面平均流速与过水断面面积之积即为断面流量[3]。从测速原理上分类，可分为多普勒法和时差法二类声学流量仪器。多普勒法声学流量测量仪器仪器工作原理及组成：声波在水中传播时，遇到水中泥沙、气泡等物体会反射回来。如果这类物体随水流等速运动，反射回来的声波会发

8、生与此物体运动速度成正比的频率变化。测得回波的多普勒频移，就可计算出水流速度。基于这一原理的测速仪器称为多普