CN102768050B - 一种小流域全自动三级测流装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种小流域全自动三级测流装置及其使用方法。其中的测流建筑物(1)依次包括三角形薄壁堰(11)、平坦V型量水堰(12)、和巴歇尔槽(13)。所述的三角形薄壁堰(11)为60°三角形薄壁堰；其堰顶高P＝0.2m，堰顶部宽b＝0.6m，堰口角θ＝90°。所述的平坦V型量水堰堰宽b＝10m，堰顶横向坡度1∶10，V型堰口高＝0.5m，堰顶最低点至地板的高度P1＝0.32m。所述的巴歇尔槽的底板比平坦V型量水堰的底板低0.3m，翼墙高为0.5m，翼墙顶部比平坦V型量水堰的底板高0.2m。所述的平坦V型量水堰的底部有两个导流孔；所述的导流孔是两个直径Φ＝0.2m的长L＝4.5m的PVC管道，埋设在平坦V型量水堰的底板上。本发明克服了现有技术单一堰槽不能测量大、中、小全部流量的缺点。

Description

一种小流域全自动三级测流装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及水文水资源工程、森林水文、水土保持、水循环实验的野外小流域出流测量领域，特别是涉及一种小流域全自动三级测流装置及其使用方法。

背景技术

国内外野外小流域的出流基本上是采用测流建筑物测量水位，再利用流量公式计算流量。《中华人民共和国水利行业标准-堰槽测流规范》(SL-24-91)(以下简称《堰槽测流规范》)规定了几种测流建筑物，主要是薄壁堰、宽顶堰、三角形剖面堰、平坦V型量水堰、长喉道槽、短喉道槽等。这几种测流建筑物各自有优缺点，薄壁堰适合在良好保养条件、能保证堰顶不致受损环境下使用，适用于测试非常小的流量；宽顶堰宜用于能够定期清淤除草的矩形河槽中，适用于中小河流；三角形剖面堰适用于水头损失小和测流精度要求高的天然河道；平坦V型量水堰的测流幅度比较大，特别适用于暴涨暴落的山溪性河流；长喉道槽可在含沙量较大的河流上应用，这种槽由于吼道长，相对来说不大经济，施工技术要求也高，且只能用于自由出流；短喉道槽比长喉道槽的投资低，其中应用较广的巴歇尔槽有一定的排沙(悬移质)能力，流量计算简便。

我国的一些暴雨洪峰陡涨陡落小流域，在枯水季节流量(0-0.0006m³/s)很小，而在洪水季节由于突降暴雨，洪峰流量(＞30m³/s)相对于枯季流量来说又很大，洪峰流量是枯季流量的50000多倍。而在我国，由于研究的需要，往往对洪、枯水都要求观测，这就给选择单一堰槽进行测流增加了难度。《堰槽测流规范》使用的堰、槽大多测流范围小，不能满足同时测大洪水、中等洪水、枯水流量三种需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出了一种小流域全自动三级测流装置(见图1)，巧妙的把测量小流量的三角形薄壁堰、测量中流量的巴歇尔槽和测量大流量的适用于山溪性河流的平坦V型量水堰设计在一起，形成三级测流建筑物(见图2)。再在测流建筑物的设计要求的部位安放液位传感器，进行测量每个测流建筑物的水位，液位传感器的电信号传输到数据记录仪中记下每个水位值，根据水位-流量公式计算过水断面的流量。

由于《堰槽测流规范》和《中华人民共和国国家计量检定规程-明渠堰槽流量计试行检定规程》(JJG711-1990)(以下简称《检定规程》)中对平坦V型量水堰的设计要求一样，而《堰槽测流规范》提供的平坦V型量水堰流量计算公式相当复杂，《检定规程》提供的流量公式相对比较简单、实用，因此在设计三种建筑物时统一采用《堰槽测流规范》的设计要求设计，根据《堰槽测流规范》提供的三角形薄壁堰和巴歇尔槽流量计算公式计算小流量和中流量，采用《检定规程》提供的流量公式计算平坦V型量水堰测量的大流量。当流量在0-0.15m³/s之间时，利用测得的三角堰的水位计算流量，而测得的巴歇尔槽、平坦V型量水堰的水位不参与计算；当流量在0.15-2.5m³/s时，利用测得的巴歇尔槽的水位计算流量，而测得的三角堰、平坦V型量水堰的水位不参与计算；当流量在2.5-50m³/s之间时，利用测得的平坦V型量水堰的水位计算流量加上导流孔的流量则是整个断面的过水流量，而测得的三角堰、巴歇尔槽的水位不参与计算。本发明通过把《堰槽测流规范》中使用的三种测流建筑物设计在一起，每种建筑物的尺寸均按着《堰槽测流规范》的要求合理设计，液位传感器的传输的水位数据在±1mm之内，误差在5％之内，符合要求。

本发明之一是一种小流域全自动三级测流装置，是这样实现的：

所述的三级测流装置包括测流建筑物(1)，液位传感器(2)，数据采集器(3)；其中所述的测流建筑物(1)依次包括三角形薄壁堰(11)、平坦V型量水堰(12)、和巴歇尔槽(13)；

所述的三角形薄壁堰(11)为三角形薄壁堰；其堰口高P＝0.2m，堰顶部宽b＝0.6m，堰口角θ＝60°；

所述的平坦V型量水堰(12)堰宽b＝10m，堰顶横向坡度1∶10(上下游坡度分别取1∶2和1∶5)，V型堰口到堰顶的高度为0.5m，堰顶最低点至地板的高度P₁＝0.32m；

所述的巴歇尔槽的底板比平坦V型量水堰的底板低0.3m，翼墙高为0.5m，翼墙顶部比平坦V型量水堰的底板高0.2m；

另外

所述的平坦V型量水堰的底部有导流孔A(121)和导流孔B(122).导流孔的作用是三角形薄壁堰的水流通过导流孔留到下游，薄壁堰和平坦V型量水堰之间没有雍水，在未满流的情况下可以流过薄壁堰的最大流量，使水流形成清晰的水舌从三角形薄壁堰射出。

所述的导流孔A(121)和导流孔B(122)是埋设在平坦V型量水堰的底板上，直径Φ＝0.2m/长L＝4.5m的PVC管道。

所述的液位传感器(2)共有4支，其中液位传感器(21)和(24)的测量范围是0-1m，测量精度是±1mm；液位传感器(22)和(23)的测量范围是0-2.5m，测量精度是±2.5mm。

所述的数据采集器(3)有4个通道，能同时采集4支液位传感器的水位值，采集的时间间隔是1min。

本发明之二的三级测流装置的使用方法，是这样实现的：

所述的三角形薄壁堰的流量公式为：

Q＝0.717*(h₁-0.2+0.00114)^5/2；

式中h₁——以平坦V型量水堰底板为基准面，液位传感器(21)测的水位，m。

所述的单个导流孔的流量公式为：

$Q^{\′\′}=0.0314\sqrt{\frac{19.6*(h_2-h_3)}{1.5192+{(1-\frac{0.2}{h_3})}^2}};$

式中

h₂——以平坦V型量水堰底板为基准面，液位传感器(22)测的水位，m

h₃——以平坦V型量水堰底板为基准面，液位传感器(23)测的水位，m。

所述的平坦V型量水堰的流量公式为：

$Q_2=25.04C_{\mathrm{de}}{C}_v{Z}_h{(h_2-0.32-0.0008)}^{5/2}+2*0.0314*\sqrt{\frac{19.6*(h_2-h_3)}{1.5192+{(1-\frac{0.2}{h_3})}^2}}$

式中C_de——流量系数，查《检定规程》中的附录2中的表2，

C_v——流速系数，

Z_h——形状系数，

C_vZ_h——查《检定规程》中的附录2中的表3，

h₂——以平坦V型量水堰底板为基准面，液位传感器(22)测的水位，m

h₃——以平坦V型量水堰底板为基准面，液位传感器(23)测的水位，m。

所述的巴歇尔槽的流量公式为：

$Q_3^{\′}={3.66h}_4^{1.586}$

h₄——以巴歇尔槽底板为基准面，液位传感器(24)测的水位，m。

具体实施中，本发明的设计平面图可以参见图2设计平面图，正视图见图3设计正视图。

本发明重点三角形薄壁堰严格按照《堰槽测流规范》的要求设计，设计图见图4，堰口高P＝0.2m，堰顶部宽b＝0.6m，堰口角θ＝90°，以平坦V型量水堰的底板为基准面，液位传感器(21)测得水位为h₁，根据《规范》，则可以用下式计算三角形薄壁堰测得任意水位的流量：

当液位传感器(21)的水位h₁＝0.5m，代入上式得到薄壁堰测得的最大流量为Q_max＝0.15m³/s。为了不使下游的平坦V型量水堰挡住薄壁堰的过水流量，在平坦V型量水堰的底部设计了两个导流孔(见图2和图6)，导流孔的直径Φ＝0.2m，在未满流的情况下可以流过的薄壁堰的最大流量，使薄壁堰的下游没有雍水，形成清晰的水舌从堰射出。

当上游来水流量大于0.15m3/s，即h1＞0.5m时，来水漫过三角形薄壁堰，水流首先通过导流孔导流，导流孔不能及时导流时，平坦V型量水堰上游水位升高，漫过量水堰到达下游的消力池，经过消力池消力后，流速变缓，进入巴歇尔槽，设计图见图5，具体设计尺寸见《堰槽测流规范》中标准巴歇尔槽各部位尺寸表中的序号10。为了防止巴歇尔槽的翼墙阻挡平坦V型量水堰的泄流，特设计巴歇尔槽的底板比平坦V型量水堰的底板低0.3m，翼墙高为0.5m，翼墙顶部比平坦V型量水堰的底板高0.2m，仍然比平坦V型量水堰的堰口低。

巴歇尔槽的流量计算公式：

$Q_3={3.66h}_4^{1.586}$

式中h₄-以巴歇尔槽的底板为基准面，液位传感器(24)测量的水位，m当h₄＝0.13m时，Q₃＝0.144m³/s，因此当h₄＞0.13m时，采用巴歇尔槽的液位传感器测得水位计算流量，最高水位h₄＝0.5m时，Q₃＝1.2m³/s。

当上游来水流量大于1.2m³/s，即h₄＞0.5m时，来水漫过巴歇尔槽，此时流量测量分为两个部分，一是通过平坦V型量水堰表面的流量Q′，而是通过导流孔的流量Q″。

平坦V型量水堰的断面设计图见图6，堰宽b＝10m，堰顶横向坡度1∶10，V型堰口到堰顶的高度h′＝0.5m，堰顶最低点至地板的高度P₁＝0.32m，检定规程》提供的流量公式为：

$Q=0.8C_{\mathrm{de}}{C}_v\sqrt{g}m{Z}_h{h}_{\mathrm{le}}^{5/2}$

式中C_de——流量系数，查《检定规程》中的附录2中的表2C_v——流速系数，可根据h′/p₁和h_le/h′值查《检定规程》中的附录2中的表3，同时得出C_vZ_h值

m——V型堰顶线横向坡度系数；

Z_h——形状系数，当h≤h′，Z_h＝1.0，当h＞h′，

h——实测水头

h_le——有效水头。h_le＝h-K_h

K_h——水头改正系数，查《检定规程》中的附录2中的表2

h′——堰顶最高点和最低点高程之差(V型堰口高度)

此公式的适用条件是：(1)h≥0.06(堰顶为混凝土表面)(2)h′/p₁≤2.5。从本设计来看，堰顶是混凝土表面，h≥0.06，h′/p₁＝1.6≤2.5，满足适用条件，把以上各参数代入流量公式得到通过平坦V型量水堰表面上游的流量计算公式：

Q′＝25.04C_deC_vZ_h(h₂-0.32-0.0008)^5/2

式中h₂——以平坦V型量水堰底板为基准面，液位传感器(22)测的水位，m

导流孔是两个直径Φ＝0.2m的长L＝4.5m的PVC管道，埋设在平坦V型量水堰的底板上，上游液位传感器(22)测得的水位为h₂，下游液位传感器(23)测得的水位为h₃，由于大洪水时，孔的上、下游都被淹没，流量计算按《中华人民共和国行业标准-水工建筑物测流规范》(SL-92)(以下简称《建筑物测流规范》)中提供的有压、半有压淹没管流的计算公式计算：

$Q={\mathrm{\μ}}_{1}a\sqrt{2\mathrm{g\ΔZ}}$

其中a——导流孔的过水断面面积

ΔZ——为平坦V型量水堰的上下游水头差，m

μ₁——为有压淹没流的流量系数

${\mathrm{\μ}}_1=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\α}+{\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2+\frac{2\mathrm{gL}}{C^{2}R}}}$

式中α——进口流速动能修正系数，一般取α＝1.0

ξ₁，ξ₂——进口、出口局部水头损失系数(可查《建筑物测流规范》附表5-3得到：ξ₁＝0.5，)

L——导流孔的长度

R-导流孔的水力半径

C-导流孔的谢才系数，n为糙率系数(PVC的糙率系数为0.009)把以上各参数代入流量公式最后得到单个导流孔的流量公式为：

$Q^{\′\′}=0.0314\sqrt{\frac{19.6*(h_2-h_3)}{1.5192+{(1-\frac{0.2}{h_3})}^2}}$

式中h₂——以平坦V型量水堰底板为基准面，液位传感器(22)测的水位，m

h₃——以平坦V型量水堰底板为基准面，液位传感器(23)测的水位，m

则总流量公式为

$Q_2=Q^{\′}+2Q^{\′\′}=25.04C_{\mathrm{de}}{C}_v{Z}_h{(h_2-0.32-0.0008)}^{5/2}+2*0.0314*\sqrt{\frac{19.6*(h_2-h_3)}{1.5192+{(1-\frac{0.2}{h_3})}^2}}$

现总结各测流建筑物的测流范围和公式见表1

表1各测流建筑物的测流范围和公式

发明的效果：

本发明能够测量0-50m³/s的流量，高精度、多快好省地测定流量，实验了全自动测量，省时省力，解决了洪水来临时需要人工测流的麻烦。

附图说明

图1本发明小流域全自动三级测流装置示意图

图2本发明平面示意图

图3图2的正视图

图4三角形薄壁堰断面图

图5-1巴歇尔槽的示意图

图5-2图5-1的俯视图

图6平坦V型量水堰导流孔示意图

图7全自动测流装置位置图

图8某某出口年最大洪峰流量频率曲线图

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明的结构原理作进一步的详细描述。

本发明应用到了中国科学地理科学与资源研究所野外实验流域——某县某某流域实验基地。

某某流域实验基地位于河北省某县境内。地处某某山脉北端，某某水系上游，属某某水的二级支流。流域内主要沟道有五条，它们在某某附近汇合到某某水，并向南注入某某水的一级支流某某河；主沟长度5.5公里，沟底平均比降为23％。流域地势西北高东南低，地形起伏不大，高程一般在50-150米之间，流域最高处海拔为180米。流域为低山丘陵区，山丘以花岗片麻岩构造的为主，多呈浑圆状，坡度较缓，多为10°-25°之间(占流域总面积的45％以上)；而由石灰岩类构造的山岭，坡度较陡，多在25°以上(约占流域总面积的10.3％)。

某某流域属温带大陆性季风区气候，冬季干冷，夏季湿热。多年平均降水量为641mm，最大年降水量为1004mm，最小年降水量为217mm；降雨大部分集中在汛期，7-9月的降水量占全年的76.6％。年平均气温11.6℃，最高气温40℃，最低气温-23.4℃。年平均蒸发量1906毫米(Φ20cm蒸发皿)。无霜期约210天。春夏多东南风，最大风力6-7级，风速17m/s(西北风)；秋冬多西北风，最大风力5～6级，风速12m/s(西北风)。沟道内的地下水埋深较浅，一般在2.5-4米之间。

2004年，某某流域出口的测流装置损坏，2004年以后的流量则不能测量，为了全自动测量全年的流域出口流量，特设计了小流域的全自动测流装置，位置见图7。

分析历史资料，采用皮尔逊III型频率曲线，计算出年最大洪峰流量频率曲线(图8)，推求出百年一遇的洪峰流量为32.4m³/s，当液位传感器测量的水位值h₂＝1.6m，全自动测流装置测得的流量为Q＝37m³/s，能够测量百年一遇的洪峰流量。

某某流域出口全自动测流装置设计完毕后，2010年开始投入使用，枯水季节三角形薄壁堰测得水位h₁＝0.278m，则流量为Q＝0.0013m³/s。

Claims (7)

1.一种小流域全自动三级测流装置，其特征在于： 

所述的三级测流装置包括测流建筑物(1)，液位传感器(2)，数据采集器(3)；其中所述的测流建筑物(1)依次包括三角形薄壁堰(11)、平坦V型量水堰(12)和巴歇尔槽(13)； 

所述的平坦V型量水堰的底部有导流孔A(121)和导流孔B(122)； 

所述的液位传感器(2)共有4支，其中第一液位传感器(21)和第四液位传感器(24)的测量范围是0-1m，测量精度是±1mm；第二液位传感器(22)和第三液位传感器(23)的测量范围是0-2.5m，测量精度是±2.5mm； 

第一液位传感器(21)位于三角形薄壁堰(11)的上游，第二液位传感器(22)位于平坦V型量水堰(12)的上游，第三液位传感器(23)位于平坦V型量水堰(12)的下游，第四液位传感器(24)位于巴歇尔槽(13)处。 

2.如权利要求1的全自动三级测流装置，其特征在于： 

所述的三角形薄壁堰(11)为60°三角形薄壁堰；其堰顶高P＝0.2m，堰顶部宽b＝0.6m，堰口角θ＝60°。 

3.如权利要求2的全自动三级测流装置，其特征在于： 

所述的平坦V型量水堰(12)堰宽b＝10m，堰顶横向坡度1∶10，V型堰口高＝0.5m，堰顶最低点至底板的高度P₁＝0.32m。 

4.如权利要求3的全自动三级测流装置，其特征在于： 

所述的巴歇尔槽(13)的底板比平坦V型量水堰的底板低0.3m，翼墙高为0.5m，翼墙顶部比平坦V型量水堰的底板高0.2m。 

5.如权利要求4的全自动三级测流装置，其特征在于： 

所述的导流孔A(121)和导流孔B(122)是埋设在平坦V型量水堰的底板上，直径Φ＝0.2m、长L＝4.5m的PVC管道。 

6.如权利要求5的全自动三级测流装置，其特征在于： 

所述的数据采集器(3)有4个通道，能同时采集4支液位传感器的水位值，采集的时间间隔是1min。 

7.如权利要求1～5之一的全自动三级测流装置的使用方法，其特征在于： 

所述的三角形薄壁堰的流量公式为： 

Q＝0.717*(h₁-0.2+0.00114)^5/2； 

式中h₁——以平坦V型量水堰底板为基准面，第一液位传感器(21)测的水位，m； 

单个所述的导流孔的流量公式为： 

式中 

h₂——以平坦V型量水堰底板为基准面，第二液位传感器(22)测的水位，m 

h₃——以平坦V型量水堰底板为基准面，第三液位传感器(23)测的水位，m； 

所述的平坦V型量水堰的流量公式为： 

式中C_de——流量系数，查《明渠堰槽流量计试行检定规程》(JJG711-1990)中的附录2中的表2， 

C_v——流速系数， 

Z_h——形状系数， 

C_vZ_h——查《明渠堰槽流量计试行检定规程》(JJG711-1990)中的附录2中的表3， 

h₂——以平坦V型量水堰底板为基准面，第二液位传感器(22)测的水位，m 

h₃——以平坦V型量水堰底板为基准面，第三液位传感器(23)测的水位，m； 

所述的巴歇尔槽的流量公式为： 

h₄——以巴歇尔槽底板为基准面，第四液位传感器(24)测的水位，m。