流量測(cè)試儀的原理和實(shí)際測(cè)試情況

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流量檢測(cè)儀可以計(jì)算河流、小溪、溝渠、山泉等流動(dòng)水源的流量，單獨(dú)使用可以預(yù)估全年排量，探索季節(jié)變化對(duì)高山融雪的影響等，多用于生態(tài)、水文研究，水源開發(fā)等。配合其它水質(zhì)檢測(cè)和生物檢測(cè)儀器可以綜合評(píng)估該地區(qū)水源被污染的程度、凈化能力等。多用于環(huán)境生態(tài)檢測(cè)，污染物排放控制檢測(cè)。

任何流量檢測(cè)儀都不可能直接測(cè)出水源的流量，而是通過流速和面積與流量的關(guān)系計(jì)算出河流流量，理想狀態(tài)下其關(guān)系如下：

式中v為河流平均流速，S為橫截面積

由上式可以看出，只要知道了河流的流速*可以計(jì)算得到總的流量。而測(cè)量流速的方法很多，其中比較方便和便宜的是利用螺旋漿測(cè)量（機(jī)械方法），螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的速度*是水流流動(dòng)的速度。通過速度傳感器，可以將其顯示在屏幕上。目前使用機(jī)械原理制成的流量?jī)x并不太多，大多數(shù)儀器只能測(cè)量一點(diǎn)的流速，依次記錄后手工計(jì)算出流量。因此螺旋槳測(cè)量方法一般只在單獨(dú)測(cè)量流速時(shí)使用。測(cè)量結(jié)果更加*的是利用多普勒原理制成的超聲波或激光流速計(jì)，傳感器發(fā)出超聲波或激光遇到水流反射，如果水流速度較快，則反射波的頻率較高，進(jìn)而測(cè)出流速。使用多普勒原理制成的儀器計(jì)算功能*比較強(qiáng)大了，一般支持流量測(cè)量，更有甚者用戶可以選擇不同的流速、流量測(cè)量方法進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，使結(jié)果更符合實(shí)際情況。

螺旋槳測(cè)速儀

多普勒超聲測(cè)速儀

多普勒激光測(cè)速儀

在實(shí)際情況下計(jì)算流速和流量當(dāng)然不會(huì)像*初的理想情況那么簡(jiǎn)單，還需要考慮到河道不同深度的水流速度和距岸邊不同距離的深度。

水流速度的測(cè)量

測(cè)量流速時(shí)，要根據(jù)實(shí)際水流狀況和風(fēng)向選取合適的測(cè)量方法，在一個(gè)橫斷面上取多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。只有流速測(cè)量結(jié)果正確時(shí)，流量才能近似等于實(shí)際情況。如果流速偏差很大，則流量計(jì)算也沒有實(shí)際意義。

先來考慮不同深度水流速度的變化情況。在無風(fēng)和水流逆風(fēng)流動(dòng)的情況下，河道中水流的速度類似于下圖的曲線。因?yàn)榭諝夂湍嗌车淖枇κ沟盟婧退椎牧魉俣茸兟?，河道中部的水流速?快。此時(shí)測(cè)量水流速度時(shí)推薦使用0.2/0.8法[1]，原因是水流平均速度出現(xiàn)在A、B兩點(diǎn)。如果使用0.6法[2]，則*后得到的流速值偏大。

如果水流順風(fēng)流動(dòng)，則河面上的流速要大于河底流速，如下圖所示。此時(shí)再使用0.2/0.8法測(cè)量結(jié)果*不盡如人意了---因?yàn)轱L(fēng)速不斷變化，所以河流的表面流速也隨之變化。為了使測(cè)量結(jié)果更穩(wěn)定，建議使用0.6法，直接測(cè)量C點(diǎn)河流中部的水流速度。

*后一種較極端的情況也比較多見，溝渠中的水基本不流動(dòng)，但是水面由于風(fēng)力作用產(chǎn)生流速，如下圖所示（多出現(xiàn)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)河流、支流上）。此種情況下，各種測(cè)量水流速度的方法都不能完全代表實(shí)際流速，建議單獨(dú)測(cè)量水面流速后更改深度（20cm左右），只計(jì)算頂層的流量。

    上述測(cè)量方法僅為測(cè)量一點(diǎn)流速，實(shí)際測(cè)量時(shí)要在一個(gè)橫斷面上取多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。不同位置的流速變化規(guī)律也類似圖1，靠近岸邊流速較低，靠近中心流速較高。計(jì)算時(shí)，也可類比使用0.2/0.8法。

橫截面積的估算

一般來說對(duì)于河道，越向中心深度越大，因此大致可以認(rèn)為河道橫截面為梯形。對(duì)于山泉?jiǎng)t可以用長(zhǎng)方形截面近似代替。而如果需要測(cè)量不規(guī)則的池塘或溝渠則需要取不同點(diǎn)的深度進(jìn)行估算。

河道近似

山泉溪流近似

不規(guī)則近似

對(duì)于一般測(cè)量流量來說，簡(jiǎn)單估算橫截面積并測(cè)量平均流速*能夠滿足精度要求了，如果對(duì)流量的計(jì)算結(jié)果要求較高，*需要考慮橫斷面上不同點(diǎn)的流速變化情況，分別進(jìn)行測(cè)量。國(guó)際通行的測(cè)量流量方法是中間值法，該方法是對(duì)不規(guī)則近似的一種擴(kuò)展，示意圖如下所示：

中間值法首先將河道分為等距的段落，圖示為W1-W11。使用流速計(jì)在每個(gè)段落的中心位置測(cè)量流速，流速測(cè)量方法根據(jù)上面的建議選擇。依次測(cè)量完11個(gè)段落進(jìn)行計(jì)算。表示為公式如下所示：

在實(shí)際情況中，中間值法一般用于山泉溪流的流量測(cè)量，因?yàn)檫@些水源深度較淺，寬度適中，流速較大，可以獲得很準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

測(cè)量河道流速時(shí)，如果河流深度較淺，底部沒有淤泥，測(cè)量人員可以達(dá)到河道中央時(shí)，也可以使用中間值法進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算流量。但是如果河道較深較寬，底部有淤泥或沒有橋梁時(shí)，使用中間值法測(cè)量非常麻煩，不但需要測(cè)量大量流速數(shù)據(jù)，有時(shí)甚至需要借助小船才能到達(dá)河道中央，又因?yàn)榇w不斷運(yùn)動(dòng)，流速測(cè)量值也不準(zhǔn)確。此時(shí)只能使用上述方法進(jìn)行估算。

流量的測(cè)量一直是一個(gè)比較困難的課題，因?yàn)槠錅y(cè)量方法比較單一，只能通過流速計(jì)算，是一個(gè)間接值，而流速又受各種環(huán)境和測(cè)量方法的影響。面對(duì)復(fù)雜情況，往往沒有條件使用中間值法*測(cè)量，此時(shí)*要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行近似處理。近似的方法有多種多樣，上述方法只是其中之一。隨著測(cè)量經(jīng)驗(yàn)的不斷增加，和對(duì)大量數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，久而久之*能夠形成一套應(yīng)對(duì)不同情況的近似計(jì)算方法。

名詞解釋

[1]0.2/0.8法：該方法為測(cè)量距水面20%處流速，再測(cè)量距水面80%處流速，*后進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到平均流速。

[2]0.6法：該方法為測(cè)量距水面60%處流速。