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渠道流转矿藏仪器仪表用基础技艺原理勘验和认定
渠道流转矿藏仪器仪表用基础技艺原理勘验和认定
1河渠流量测验的经典技术理论
众所周知，在河渠测流断面上各水质点流速分布不均，其分布情况称为流速场。测流目的就是把断面中各水质点的流速分布测出来，然后绘出流速等值线图，再用两相邻等速线的均值乘以它们之间所夹的面积，并进行累加得流量。这就是经典测流法，叫流速―面积法。即流速是测出来的，流量是算出来的。用数学公式表达，即Q=VA，即流量等于断面平均流速速乘以过水面积。为什么把流速―面积法称为国际经典技术方法？举例，如青藏高原平均海拔高程在4000m以上，高原上有高山、峡谷、平原等。计算高原平均海拔高程时，首先在地图上绘制等高线，然后，从低高程区开始，用相邻两条等高线的平均值，乘以它们之间所包围的面积，沿高程的增高进行累加后，除以整个高原区的面积，即得全高原平均海拔高程。类似的例子，如全国、省、流域年平均降水量的计算，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，就是根据各雨量观测站的年降水量，绘制年降水等值线图，再用计算平均海拔高程的相同原理计算出平均年降水量。
但是在河渠流量测量中，为了便于实施测流，作业时是在断面的同一起点距上，沿水深垂直方向施测n个点的流速，然后算出平均值，这就是众所周知的垂线平均流速。这种手段转换方法，把一条垂线上本来不相等的各水质点流速，有效地变成了一条等速垂线。由垂线流速再用流速―面法算出全断面流量。为此，河渠流量测验规范规定，（转子式）流速仪法的测量成果可作为率定或校核其他测量方法的标准。因此，无论何种类型的仪器，技术如何先进，在用于河渠流量测验时，检验标准就是垂线流速法的实测流量成果，它就是所谓的“真值”，或相对真值。通常说的“比测”，就是指与垂线流速实测成果进行的对比观测。所以，河渠中垂线流速测流法是水文“看家的本事”之一。它也是对各种类型的先进仪器设备、技术方法进行鉴定和评价的有效方法之一。
2对当前由国外引进的新测速仪及其适用性能分析
近年来，随着科学技术的发展，尤其声学和电子技术的发展，新仪器、新设备的引进和应用，为流量测验技术的发展带来了革命性的变革。与传统的转子式流速仪测流法相比，它们测速快、技术先进、效率高。每秒钟可采集数组数据，数据量庞大，并以此克服水流脉动等因素的影响，使人耳目一新。目前国内水文系统引进的先进仪器设备中，常见的有时差法类型的超声波流速仪和声学多谱勒剖面流速仪。
2.1时差法超声波流速仪
测速原理，简单地说，它是由河渠一岸发射超声波至对岸的固定装置上，这样对岸接收的声波流速中，便含有了水流的速度，利用公式即可算出水流速度。即它是测取水下一条固定水平线的平均速度，然后乘以过水面积，得出流量。显然为提高测流精度，通常的做法是在水面以下不同水深安装数组仪器，测取水面下多条水平线平均流速，然后沿水深用相邻两水平线的平均流速的均值乘以它们之间所夹的面积，得部分流量，最后再进行累加，得全断面流量。所以，仪器安装组数越多，精度会越高。
2.2声学多谱勒剖面流速仪
声学多谱勒剖面流速仪通常叫做ADCP，其测流原理是当振源发射超声波遇到物体（如水流中的气泡或悬移质）时会发生反射，但是当振源与物体之间发生相对运动时，振源接收到的反射波频率将发生变化，称为频移。该频移现象叫多谱勒效应。因此通过测量频移的方法即可以算出水流运动的速度。
当把ADCP换能器固定安装在河渠的一岸时称为水平式H―ADCP流速仪，它可以测取水下固定高程一个层面中的部分（如从岸边至河流中部）流体的平均流速，并定义为“指标流速”，然后与断面平均流速建立相关关系。为此要有n个不同水位级下和大小不等的流量，用回归方程的方法建立相关线，相关线确定后，即可通过测“指标流速”的方法，从相关线上查求流量。所以，水平多谱用经典技术理论检验H―ADCP）测流法可以做到通过测量相关指标的方法得到在线流量，但不是直接通过实测流速和流量的方法得到在线流量。
当把ADCP安装于载体（如船）上横穿河流时，ADCP发射的声波会接收到不同水深处众多水质点（气泡或悬移质）的反射波相应频移，并算出被测量流速，从而得到断面流速分布场。之后，可以通过三种软件处理方法得到实测流量。一是绘制流速等值线图，并对两相邻等值线值取平均，再乘以它们之间包围的面积，进行累加，即得到流量。二是沿断面宽算出多条垂线平均流速，之后对相邻两垂线平均流速取平均，并乘以两垂线间所夹面积，累加后得断面流量。三是沿水深算出多层从一岸至对岸水平线平均流速后，用上述垂线流速计算流量的方法算出流量。上述三种方法的作法不同，但原理是一致的，都是经典的流速―面积法。
那么，结合河渠流量测验经典技术理论，对于河渠中的流量测量，应该如何评定当前国内引进的上述两类先进的超声波、声学ADCP流速仪呢？显然，判别好坏的第一条标准，就是用垂线流速法比测，其次是对适应性各类指标情况的分析。如果有人认为ADCP比转子式流速仪测的更准确，对于这种认为，至少是缺乏科学依据。但是由于这是一类新形势下出现的新问题，目前的河流流量测验规范中，只有垂线流速一点、二点法等测流误差评定办法，为此笔者认为可分两种情况：
（1）相同流量、相同边界条件下的检验。例如在同一过水断面中，用多线多点法测得的流量为相对真值，其它类型的仪器设备，如走航式ADCP反复测量n次，差别很小。检测结果表明，走航式ADCP仪器性能稳定。
（2）在不同的流量、不同的边界条件下的检验。由于流量测验误差来自水位测量、断面测量、仪器标定参数、水流及边界条件复杂程度等多个方面。因此，通常要用转子式流速仪按多线、多点法施测30次不同水位级时大小不等的流量，作为一个样本。然后用新的仪器设备与相对应的30次流量分别复测一遍，进行误差分析。按规范规定，系统误差不超过±1％，均方差不大于4.0％，不确定度不超过8.0％，视为达到了一类精度标准。此外，还有二类、三类精度标准等。
对照流量测量经典理论以及以上两点检验方法，可以发现：
（1）时差法超声波流速仪通常需要安装数组流速仪，价格不菲。
如果仅安装一组仪器，当水位变幅较大时，其精度情况和适应性则需要进一步探讨。如广东省港根水文站引进一台德国产时差法测速仪。当水位变幅超过一定变幅后，便改为走航式ADCP法测流。
（2）水平式多谱勒（H―ADCP）流速仪的测流原理在理论上与水位～流量相关法是相同的，性质上没有任何差别。对水位～流量关系法，尤其在明渠流量计量时，传统方法由于受非均匀流条件影响，水位～流量关系不确定，或堰闸测流方法中流量系数率定繁琐，使用起来已远远不能满足生产需要和时代发展要求。
同样，水平式ADCP测流法也容易受上游来水（支流汇入或闸门开启孔数、开启高度等）和下游水位顶托等非均匀流因素影响，复杂多变，精度情况不能一概而论。比如，测流断面以上建有数孔闸门，水平式ADCP安装于左岸一侧，当只有左岸闸门开启时，“指标流速”会偏大；相同的流量，只开启右岸闸门时，“指标流速”则会偏小。还比如，测流断面下游开闸放水时，闸门开启度不大时，河底流速偏大，水面流速会很小。反之，闸门全开，流速变化会出现相反情况。
相关法的优点是快捷，缺点是相关关系建立需要周期长，而且相关关系必须稳定。如，长江干流第一站屏山水文站，多年实测水位流量关系为单一线，但是每隔三年两载，该线会产生超过规范要求的系统误差。类似现象如新安江上游渔梁水文站也是如此。因此，河流流量测验规范规定，凡是用相关关系法测流的水文站，应按规定用多线法测一年停一年，或在一年的部分水位级内实行间测。
（3）走航式ADCP测流的先进性明显。不足地方如存在四个盲区，其一是仪器入水深度和换能器以下盲区。该盲区大小取决于仪器的发射脉冲波宽度大小，有的可达1m左右。二是河底盲区，因为河底属于声波信号强反射区，容易使测速信号失真。该盲区大约占水深的15％。第三、四大盲区是指左、右岸边，如同河底区一样，同属于声呐信号强反射并使其失真的区域。对于这四部分盲区的流量通常可通过数学模型插补求出。同时，走式ADCP更适合于大江、大河的下游平原区的河道流量测验，快捷、方便。因为当流速大于3.0m/s时，作业难度大；小于0.1m/s时，常有数据丢失的现象。试验还表明，走航式ADCP测流一般要在4个单次以上，否则单次测流成果的误差会大大超出规范允许误差，所以不具备连续测流的功能
。但总体来说，走航式ADCP在适用范围内，测流先进性明显。
（4）其他。如雷达式水面测流仪，测流原理是只测水面一点的流速，然后通过水面流速改正系数，求出垂线平均流速。该法具有独特的非接触（水体）式（主要不受漂浮物影响）和采集数量大及快捷的优点。但是如果水面流速改正系数不稳定，就会失去意义。还有电磁式流速仪，它也是一种测点式流速仪，具有适应高含沙量的优点。
3二线能坡测流法简介通过对流量测验经典技术理论的分析可知，采用简化测验的方法，即在不降低精度要求前提下，尽可能地减少测速垂线的条数和每条垂线测流的点数，是实现快速、连续测流的一种有效途经。经过20多年的研究，能坡测流法是实现简化测流的一项最新研究成果。该法于1986年开始研究，1995年获水利部科技成果进步三等奖。二线能坡法于2006年申请了国家专利。能坡法基本原理是把传统的曼宁公式计算断面平均流速的方法研发为垂线流速计算模型。在模型中，曼宁公式中的比降参数是通过二条实测垂线流速用模型方法计算的，而且通常情况下不等于水面比降。
为此，将此计算比降定义为能坡。利用能坡法测流，既不是相关关系法，也不是代表垂线法，通常只需要用二条实测垂线流速作模型输入参数。之后，把由二条实测垂线流速计算的能坡的差值内插分配到每一条垂线上，用模型求出各垂线平均流速，最终把传统的在断面中实测多条垂线流速的方法，变为模型计算方法。
垂线流速模型可适用于各种形状的过水断面，而且无论在雍水或落水或负水面比降等非均匀流条件下，都可以得到满意的结果。
有关的检验成果已在1994年专家评审时的检验报告中作了详细和全面的论证。该方法适用条件是断面中无死水、回流和无超大漫滩发生。同时断面要求相对稳定，冲淤变化小。
二线能坡法作为一种简化流量测验方法已正式写入水文巡测规范。它的优点是通过两条实测垂线流速算出模型参数后，便可以计算出无数条垂线流速，从而做到充分保证测流成果精度。
在人工明渠中更容易完成高精度流量计量。同时结合点式或剖面ADCP流速仪，可为流量实时在线监测技术提供有力的技术支持。如2007年10月，国际水文标准化组织ISO的三任主席率各国水文测验专家20余人，在高坝洲实时在线水文站参观时，首肯这是世界上第一个实现可以连续测流的实时在线流量监测站。
