CN110345996A - 一种集水区水流量的测流装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集水区水流量的测定装置和方法，包括集水部、水流通道部、盛水桶、上游导水部、过水断面部和下游导水部，集水部设置在装置的前端，与水流通道连接呈一体；盛水桶设置在水流通道的外侧；上游导水部、过水断面部和下游导水部设置在水流通道的内部，且依次固定连接呈体，过水断面部设置在水流通道的中前部或中部，上游导水部倾斜向上，缩小通道内的过水面积，抬高水流通道内水流的水位，使得通道内水位变化明显；下游导水部倾斜向下，逐渐增大通道内的过水面积，将水流导出通道。采用本发明的装置测定一段时间内集水区的水流量，结果精确，尤其是对小流量的水流，测定结果真实、可靠，更能准确反映集水区内的产流情况。

Description

一种集水区水流量的测流装置和测量方法

技术领域

本发明专利涉及一种便携式测定集水区小流量的测流方法，应用于森林水文领域对集水区小流量溪水的现场监测。

背景技术

在森林水文研究中，经常需要对集水区小流量溪水进行监测，因而在沟渠中布设测流设施是不可或缺的。在流量监测时，经常用到具有特制断面的长喉槽，其优点是能较为精确地测定小流量，适用于常流水、泥沙含量较大的溪流，常见的有矩形断面长喉槽和梯形断面长喉槽。

目前，野外测流时的长喉槽通常是在现场安装混凝土基座，然后将加工好的主板镶嵌在混凝土中，其往往施工困难、费用较高，有时甚至会出现开裂现象，且受现场条件限制，加工精度不高，导致测定小流量结果不甚理想，而且，现有的测流用长喉槽通常采用矩形或梯形断面，其过水面积较大，对于水位变化的监测的灵敏度差，导致测流不准确，尤其是集水区小流量的测定结果准确性差，精度低，鉴于此，有必要提供一种便携、安装简易、能精确测定集水区小流量的测流方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有集水区水流量(尤其是集水区小流量)的测定装置和测定方法中存在的技术缺陷，提供一种测定集水区小流量的测流装置和流量测定方法，本发明的测量装置轻便，易携带，安装简易、建设成本低、可重复利用、而且装置被破坏后易恢复，采用本发明测流装置测定集水区小流量的测流方法，检测结果准确。

为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种集水区小流量的测流装置，包括集水部、水流通道部、盛水桶、上游导水部、过水断面部和下游导水部，其中，

所述集水部设置在装置的前端，与设置在集水板后端的水流通道连接呈一体，用于汇集集水区上游来水；

所述盛水桶设置在水流通道的外侧，通过引水管与水流通道相连通；

所述上游导水部、过水断面部和下游导水部设置在水流通道的内部，且依次固定连接呈体，过水断面部设置在水流通道的中前部或中部，上游导水部倾斜向上，缩小通道内的过水面积，抬高水流通道内水流的水位，使得通道内水位变化明显；下游导水部倾斜向下，逐渐增大通道内的过水面积，将水流导出通道。

其中，所述水流通道部包括集水底板、2块集水侧板和2个或2个以上的支撑件，其中：所述集水底板水平放置在待测定集水区的水流沟道内，集水底板与水平面相平行；所述2块集水侧板竖直安装在集水底板的上表面，且相互平行；集水底板和集水侧板围成顶部和两端开放的长方体型的水流通道；所述支撑件对称地设置在集水侧板的外侧，用于支撑和固定集水侧板，防止集水侧板向外侧切斜，使得集水侧板与集水底板相垂直。

特别是，所述集水底板的宽度大于形成的水流通道的宽度；所述支撑件的个数为2n个，n为1、2、3、……的整数。

尤其是，所述支撑件与集水底板固定连接。所述固定连接为焊接、粘接、搭接、拼接或螺钉连接。

其中，所述集水底板包括呈矩形的由上游底板和下游底板，所述上游底板与下游底板固定连接呈一体，且上游底板的厚度大于下游底板的厚度。

特别是，所述上、下游底板水平放置，沿着宽度方向固定连接成一体，形成的集水底板的下底面在同一水平面内，上游底板的上底面高于下游底板的上底面。

尤其是，所述上、下游底板的宽度相同；上游底板的厚度大于下游底板的厚度；两底部的厚度之差为10-20mm，优选为10mm。

其中，所述集水侧板包括2块矩形的集水前侧板和集水后侧板，所述前侧板与后侧板固定连接呈一体，且集水前侧板的高度小于集水后侧板的高度，所述集水侧板的上沿在同一水平面内。

特别是，所述前侧板与后侧板的厚度相同；前、后侧板之间的高度差与上、下游底板的厚度差相同。集水前、后侧板的高度差为10-20mm，优选为10mm。

其中，在其中一块前侧板的底部开设引水孔，且位于水流通道的前端，靠近集水部一端，用于将水流通道内的水引入到盛水桶内，通过盛水桶内的水位计，测定水流通道部内的水头(即上游水头)。

特别是，所述引水孔与盛水桶通过引水管相连通，引水管水平放置，水流从盛水桶的底部流入，测流装置使用时，流入测流装置内部水流通道内的水流通过引水孔，经过引水管流入盛水桶内，测定集水区上游水头。

尤其是，所述盛水桶的底部固定安装水位计，用于测定水流通道内(即上游)水头。

特别是，所述盛水桶的底部与集水底板的上游底板的上表面在同一水平面内；所述引水孔的直径≥3cm。

其中，所述集水部包括2块集水板，呈八字型固定安装在集水底板的上游底板上表面的前端，与集水底板相垂直。

集水板与集水侧板的前侧板的前端固定连接在一起；集水部设置在水流通道部的前端，与水流通道沿高度方向固定连接在一起，集水部与水流通道整体呈长喇叭状，喇叭口为集水部、喇叭管为水流通道，喇叭口的宽度相等或小于集水底板的宽度。

其中，所述上游导水部包括2块形状呈梯形结构的上游导水板，所述上游导水部且沿着水流通道的长度方向呈轴对称设置，梯形结构的上游导水板的上底固定在一起；下底分别倾斜靠在集水侧板的前侧板的内壁上，且分别与前侧板的内侧壁固定在一起；其中一个侧腰斜边与上游底板固定在一起，称为上游导水板第一斜边；另一个侧腰斜边与所述过水断面部固定在一起，称为上游导水板第二斜边，上游导水板第一斜边的长度大于上游导水板第二斜边的长度。

特别是，所述上游导水板与集水底板之间的夹角为30-40°，优选为36.9°。

尤其是，上游导水板的上底、以及上底与上游导水板第一斜边的连接点位于沿集水侧板长度方向的对称面上。

其中，所述下游导水部包括2块形状呈梯形结构的下游导水板，所述下游导水板且沿着水流通道的长度方向呈轴对称设置，梯形结构的下游导水板的上底固定在一起；下底分别倾斜靠在集水侧板的后侧板的内壁上，且分别与后侧板的内侧壁固定在一起；其中一个侧腰斜边与下游底板固定在一起，称为下游导水板第一斜边；另一个侧腰斜边与所述过水断面部固定在一起，称为下游导水板第二斜边，下游导水板第一斜边的长度大于下游导水板第二斜边的长度。

特别是，所述下游导水板第一斜边的长度大于上游导水板第一斜边的长度；下游导水板第二斜边的长度等于上游导水板第二斜边的长度；下游导水板上底边、下底边的长度分别大于上游导水板的上底边、下底边的长度。

尤其是，所述下游导水板与集水底板之间的夹角为15-20°，优选为18.9°。

特别是，下游导水板的上底、以及上底与下游导水板第一斜边的连接点位于沿集水侧板长度方向的对称面上。

其中，所述过水断面部包括2块矩形的过水板，两块过水板沿着水流通道的长度方向固定连接呈一体，形成垂直于水平面的横截面呈“V”字形的过水断面，固定在一起的侧边形成过水断面部的底边；与过水断面部底边相平行的过水断面部上沿与集水侧板的内壁固定连接在一起。

特别是，所述过水断面的底边与水平面相平行，且位于集水底板的上部。

尤其是，所述过水断面的底边距离集水底板的上表面30-50mm，优选为30mm；

特别是，所述过水断面的夹角θ(即两个过水板之间的夹角，也就是“V”的夹角)为小于180°，优选为45-120°，进一步优选为90-120°，更进一步优选为90°。

尤其是，所述上游导水板的上底的一个端点位于集水底板的上游底板的上表面，另一个端点位于集水底板的上方，到集水底板的距离与过水断面的底部到集水底板的距离相同。

特别是，对称设置的两块上游导水板之间的夹角为小于180°，优选为45-120°，进一步优选为90-120°，更进一步优选为90°。

尤其是，下游导水板的上底、下底、第一斜边的长度分别大于上游导水板的上底、下底、第一斜边的长度；下游导水板第二斜边与上游导水板第二斜边的长度相同，与过水板的第三边的长度相同。

特别是，还包括对称设置在集水侧板内侧壁上部的挡水凸台，所述挡水凸台位于上游导水部的上部末端、过水断面部的上部和下游导水部的上部前端，使得水流在此段的流线顺直，水流接近均匀流态，压力近乎静水压力分布。

其中，所述挡水凸台包括：朝向上游导水部的第一挡水面、朝向下游导水部的第二挡水面和朝向过水断面部的中间挡水面，中间挡水面为矩形，垂直于水平面；第一、第二挡水面为楔形。

特别是，第一挡水面与上游导水部固定连接在一起；第二挡水面与下游导水部固定连接在一起；中间挡水面与过水断面部的过水板的上沿固定在一起。

尤其是，中间挡水面与集水侧板相平行，其长度(沿着水流方向的长度)与过水断面部的长度相同，其底部与过水断面部的过水板上沿固定在一起；中间挡水面到集水侧板之间的距离与过水断面的过水板的厚度相匹配。

特别是，还包括集流槽，所述集流槽设在水流通道部末端的下方，起到缓冲作用，防止水冲刷坡面。

尤其是，所述集流槽为已知容积的集流槽，还用于在现场校正上游水头与流量关系曲线时，盛放经过水流通道的水液。

特别是，还包括加固围堰；其中所述加固围堰设置在集水部和水流通道部的外侧，用于防止水流过大时，水流冲击下，集水板、集水侧板向外侧倾斜，导致测量结果不准确或装置损坏。

尤其是，在所述盛水桶的外侧设置加固围堰，防止在水流的冲击下，盛水桶倾斜或倾倒，导致测定结果不准确。

特别是，所述加固围堰采用化纤沙袋磊积而成。

本发明另一方面提供利用上述装置测定集水区水流量的测定方法，包括如下步骤：

1)通过设置在盛水桶内的水位计测定集水区水流的水头h；

2)测定过水断面部的过水断面底边沿着水流方向的长度L和过水断面部的两个过水板之间的夹角θ；

3)按照公式(1)计算集水区内水流流量Q，公式(1)具体如下：

式中：Q为待测定集水区内水流流量，m³/s；h为上游实测水头，m；Cd为流量校正系数，C_d＝(h/L-0.07)^0.018，其中L为过水断面部长度，m；g为重力加速度，9.8m/s²；θ为过水断面部过水断面夹角，通常为小于180°，优选为45-120°，进一步优选为90-120°。

特别是，还包括4)：对上游水头与流量的关系曲线进行现场校正，之后根据实测水头，在水头与流量关系曲线中查找，获取对应的实时流量。

校正时，在水流通道部的尾部出水口下侧放置一个已知容量的集流槽，同时用秒表计时，统计集流槽集满水的用时并计算每秒钟的流量，接着与盛水桶内测定的水位(即上游水头)相对应，反复多次(至少5次，通常为5-10次)测定集流槽集满水的用时和盛水桶内测定的水位，计算每秒钟流量，然后绘制多次测定的上游水头与流量的散点图，并拟合二者的关系曲线(即流量与水头关系曲线)；根据测定的上游水头，对照拟合曲线，查出或计算出集水区水流流量。

校正时，在水流通道部的尾部出水口下侧放置一个已知容量的、空的集流槽，同时用秒表计时，集流槽水满时立刻掐断秒表，计算出每秒钟的流量，并对应于当时的水位计数据。重复多次后绘制实测水头与流量的散点图，并拟合二者的关系曲线。

本发明测量装置和水流量测定方法具有如下优点和有益效果：

1、本发明的集水区小流量测量装置的主要材料为塑料板或钢板，制作工艺成本低。

2、本发明的集水区小流量测量装置的制作步骤简便，市场普通材料加工工序即可完成，而传统长喉槽必须采用车床加工或模具浇筑。

3、利用本发明装置进行小流量测流过程中，测流装置轻便、易携带，便捷、现场安装简易、可拆卸、可重复利用，传统长喉槽均是现场粉砌，无法移动和再次使用。

4、本发明的测流装置使用灵活，可根据水道、水流情况增减加固件。

5、本发明的便携式测定集水区小流量的测流装置与现有的长喉槽相比，除了具有便携、安装简易之外，对长喉槽的过水断面进行了一些改良，将矩形、梯形过水断面改为三角过水断面，缩小了过水面积，使其能对小流量的测定更为精确。

本发明的测流装置采用三角过水断面的测流装置，通过等比例缩放，在满足大流量测定的基础上，可精确测定小流量。

附图说明

图1为本发明测定装置的立体结构示意图。

图2为本发明测流装置的结构(不含加固围堰)示意图。

图3为本发明测流装置的结构(不含加固围堰)的俯视示意图。

图3A为本发明测定装置的集水底板的结构示意图。

图4为本发明测流装置的结构(不含加固围堰)正视示意图。

图5为本发明测流装置的结构(不含加固围堰)的左视示意图。

图5A为本发明测定装置的集水侧板的结构示意图。

图6为图3中沿A-A线的剖视示意图。

图7为图3中沿B-B线的剖视示意图。

图8为图3中沿C-C线的剖视示意图。

图9为本发明测流装置的结构(不含加固围堰)另一实施例的结构示意图。

图10为本发明测流装置的结构(不含加固围堰)另一实施例的俯视示意图。

图11为图10中沿D-D线的剖视示意图。

图11A为本发明测流装置的结构的挡水凸台的结构示意图。

图11B为本发明测流装置的结构的挡水凸台的俯视示意图。

附图标记说明

1.集水底板；1A、上游底板；1B、下游底板；2.集水板；3.集水侧板；31、集水前侧板；32、集水后侧板；4.支撑件；5.引水孔；6.盛水桶；7.引水管；8.集流槽；9.加固围堰；10、上游导水板；101、上游导水板第一斜边；102、上游导水板第二斜边；11、过水板；12、下游导水板；121、下游导水板第一斜边；122、下游导水板第二斜边；13.挡水凸台；131、第一挡水面；132、第二挡水面；133、中间挡水面。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

如图1-8，本发明的便携式测定集水区水流量的测量装置，集水部、水流通道部、盛水桶、上游导水部、过水断面部、下游导水部、集流槽和加固围堰，其中集水部设置在装置的前端，与水流通道的前端固定在一起，用于汇集集水区上游来水；盛水桶设置在水流通道的外侧，通过引水管7与水流通道相连通，盛水桶的底部固定安装水位计(图中未示出)，用于测定水流通道内(即上游)水头；集流槽设在水流通道末端的下方，起到缓冲作用，防止水冲刷坡面；上游导水部、过水断面部和下游导水部设置在水利通道的内部，且依次固定连接成一体，过水断面部设置在水流通道的中前部或中部，上游导水部倾斜向上，缩小通道内的过水面积，抬高水流通道内水流的水位，使得通道内水位变化明显；下游导水部倾斜向下，逐渐增大通道内的过水面积，将水流导出通道。

如图2、3、5、8，水流通道部包括集水底板1、2块集水侧板3和2个或2个以上的支撑件4，其中，集水底板水平放置在待测定水流流量的集水区的沟底，集水底板与水平面相平行；2块集水侧板竖直固定安装在集水底板的上表面，且相互平行；集水底板和集水侧板围成顶部和两端开放的长方体型的水流通道；支撑件对称地设置在集水侧板的外侧，用于支撑和固定集水侧板，防止集水侧板向外侧切斜，使得集水侧板与集水底板相垂直。支撑件的个数为2n个，n为1、2、3、……的整数。

本发明具体实施方式中支撑件4块，对称地固定(焊接、粘接等)在集水侧板的外侧，且固定在集水底板的上部，支撑件可以是任何形状，例如三角形、长方形、正方形，圆柱型、棒状等，本发明具体实施方式中以三角形为例进行说明。

如图1、2、3、3A、5、8，集水底板由上游底板1A和下游底板1B拼接而成，上、下游底板为矩形，二者的宽度相同，上游底板的厚度大于下游底板的厚度，两底部的厚度之差为10-20mm，优选为10mm。上、下游底板的长度可以相同也可以不同。

上、下游底板水平放置，沿着宽度方向固定连接成一体，形成的集水底板的下底面在同一水平面内，上游底板的上底面高于下游底板的上底面，上游底板的上表面高于下游底板的上表面10-20mm，优选为10mm，如图3A。

上游底板的厚度大于下游底板的厚度是为了有较长的倾斜坡面(即延长下游导水部的向下的倾斜面)，较长的倾斜坡面对于能量的恢复有利，减小下游水头损失。

集水底板的上游底板的上平面与集水区测流沟道的上游沟底齐平。

如图2、3、5、5A，2块集水侧板3竖直固定安装在集水底板的上表面，相互平行，每块集水侧板由集水前侧板31和集水后侧板32拼接而成，集水前、后侧板为矩形，二者的厚度相同，集水前侧板的高度小于集水后侧板的高度，拼接成的集水侧板的上部在同一水平面内。前、后侧板的高度差与上、下游底板的厚度差相同，集水前、后侧板的高度差为10-20mm，优选为10mm。

前侧板垂直安装在上游底板的上表面，后侧板垂直安装在下游底板的上表面，由前、后侧板在集水底板的上表面拼接而成2块集水侧板，平行设置，集水侧板相对的两侧为装置的内部，集水侧板相背的两侧面为装置的外侧。

两块集水侧板之间的间距为水流通道的宽度，通常为150-400mm，优选为150mm；集水侧板的前侧板的高度为110-265mm，优选为110mm；集水侧板的长度为1440-2773mm，优选为1440mm。

集水侧板的长度可以按照实际待测定的集水区的尺寸而定，本发明具体实施方式中以两块集水侧板间的间距为150mm，集水侧板的长度为1440mm为例进行说明。

本发明装置中集水板、集水侧板为任何高度均适用；集水侧板之间的间距为任何间距均适用。

在其中一块前侧板的底部(即前侧板与上游底板相连接的底部)开设引水孔5，引水孔位于上游导水部的前端，通常位于集水板和上游导水部的中间位置或靠近集水板一端，如图1、2、3、5、8，用于将水流通道内的水引入到盛水桶内。

盛水桶的底部与集水底板的上游底板在同一水平面内，并且在盛水桶的底部，固定安装测定水头的水位计(图中未示出)。

引水孔5通过引水管7与盛水桶6相连接，引水管水平放置，水流从盛水桶的底部流入，测流装置使用时，流入测流装置内部水流通道内的水流通过引水孔，经过引水管7流入盛水桶内，测定集水区上游水头。为了保证水流通道内的水流及时流入盛水桶，精确测定上游水头，引水孔的尺寸尽量大，使得盛水桶与测流装置内的水流能自由流动，盛水桶内水位保持与测流装置内部的一致，通常引水孔的直径≥3cm。

由于集水底板与盛水桶在同一水平面内，且引水孔在集水侧板的底部(即集水底板的上表面，盛水桶与测流装置内的水流能自由流动，盛水桶内水位保持与测流装置内部的一致)。

集水部由两块矩形的集水板2组成，呈八字型固定安装在集水底板的上游底板上表面的前端，与集水底板相垂直，类似于喇叭状，如图1、2、3，即在测流装置使用时，集水板位于来水的上游(或前端)，用于汇集上游来水。

集水板的高度与集水侧板的前侧板31的高度相同，通常为110-265mm，优选为110mm；集水板的厚度与集水侧板的前、后侧板的厚度相同。

集水板与集水侧板的前侧板的前端固定连接在一起(通常为焊接、粘接或搭接)，与集水侧板的前侧板呈一体连接。集水部设置在水流通道的前端，与水流通道高度连接在一起，集水部与水流通道整体呈长喇叭状，喇叭口为集水部、喇叭管为水流通道，喇叭口的宽度相等或小于集水底板的宽度。

集水侧板、集水板的长度、宽度与集水底板的长度、宽度相适应。上游底板的长度等于集水部的高度(即集水板沿水流方向的高度，或集水板到上游底板前沿的垂直的高度)和前侧板长度之和；后底板的长度等于后侧板的长度。后侧板的高度大于前侧板的高度，二者的高度之差与上游、下游底板的厚度之差相同，即前后侧板的高度之差为10-20mm，优选为10mm。

如图1、2、3、8，上游导水部由2块形状呈梯形结构的上游导水板10拼接而成，且沿着水流通道的长度方向呈轴对称设置，梯形结构的上游导水板的上底固定在一起，下底分别倾斜靠在集水侧板的内侧壁上，且分别与前侧板的内侧壁固定在一起，其中一个侧腰斜边与上游底板固定在一起，称为上游导水板第一斜边101；另一个侧腰斜边与过水断面固定在一起，称为上游导水板第二斜边102，上游导水板第一斜边的长度大于上游导水板第二斜边的长度。

上游导水板与集水底板之间的夹角为30-40°，优选为36.9°，上游导水板的上底的一个端位于集水底板的上游底板的上表面，另一个端点位于集水底板的上方，到集水底板的距离与过水断面的底部到集水底板的距离相同，通常为30-50mm，优选为30mm；对称设置的两块上游导水板之间的夹角为90-120°，优选为93.22°，

上游导水板的上底、以及上底与上游导水板第一斜边的连接点位于沿集水侧板长度方向的对称面上。上游导水板的上底的一个端点固定在集水底板的上游底板上，另一个端点位于集水底板的上方，使得上游导水部以集水底板为起点，沿着水流的方向倾斜向上，缩小流道内的过水面积，抬高装置内水流的水位，使得流道内水位变化明显。

过水断面部由2块矩形的过水板11拼接而成，如图1、2、4、7，两块过水板的长度方向的侧边(或宽度方向的侧边)中的一边固定在一起，形成垂直于水平面的横截面呈“V”字形的过水断面，固定在一起的侧边形成过水断面部的底边；与过水断面部底边相平行的过水断面部上沿(即过水板长度或宽度方向的另一侧边)与集水侧板的内壁固定连接在一起(本发明中所述固定连接在一起通常指粘接、焊接在一起或搭接在一起)。过水断面的底边与水平面相平行，且位于集水底板的上部，距离集水底板的上表面30-50mm，优选为30mm；过水断面的夹角θ(即两个过水板之间的夹角，也就是“V”的夹角)为小于180°，优选为45-120°，进一步优选为90-120°，更进一步优选为90°。

过水断面部位于前侧板或前侧板和后侧板相连接的连接部。与固定在一起的过水断面部底边相垂直的过水断面部的前沿、后沿分别与上游导水板第二斜边、下游导水板第二斜边固定连接在一起。

本发明具体实施方式中过水断面部的夹角θ以90°为例进行说明，如图8。

现有的过水断面通常采用矩形或梯形断面，其过水面积较大，对于水位变化的监测的灵敏度差，导致测流不准确，尤其是集水区小流量的测定结果准确性差。本发明装置中三角过水断面过水面积小，对水位变化的监测灵敏度高，对于小流量的监测更为精确。

如图1、2、3、6、8，下游导水部由2块形状呈梯形结构的下游导水板12拼接而成，且沿着水流通道的长度方向呈轴对称设置，梯形结构的下游导水板的上底固定在一起，下底分别倾斜靠在集水侧板的内侧壁上，且分别与后侧板的内侧壁固定在一起，其中一个侧腰斜边与下游底板固定在一起，称为下游导水板第一斜边121；另一个侧腰斜边与过水断面固定在一起，称为下游导水板第二斜边122，下游导水板第一斜边的长度大于下游导水板第二斜边的长度。

下游导水板与集水底板之间的夹角为15-20°，优选为18.9°，下游导水板的上底的一个端位于集水底板的下游底板的上表面，另一个端点位于集水底板的上方，到集水底板的距离与过水断面的底部到集水底板的距离相同，通常为40-60mm，优选为40mm；对称设置的两块下游导水板之间的夹角为90-120°，优选为90.36°，

下游导水板的上底、下底、第一斜边的长度分别大于上游导水板的上底、下底、第一斜边的长度；下游导水板第二斜边与上游导水板第二斜边的长度相同，与过水板的第三边的长度相同。

下游导水板的上底、以及上底与下游导水板第一斜边的连接点位于沿集水侧板长度方向的对称面上。下游导水板的上底的一个端点固定在集水底板的下游底板上，另一个端点位于集水底板的上方，使得下游导水部以集水底板为起点，逆着水流的方向倾斜向上，即下游导水部沿着水流的方向从过水断面部倾斜向下，流道内的过水面积扩大，显著降低水流通道内水流的水位，并将水导出槽道。

由于上、下游导水部的导水板和过水断面部的过水板具有一定厚度，本发明另一实施例中为了使水流此段的流线顺直，水流接近均匀流态，压力近乎静水压力分布。在上游导水部的上部末端、过水断面部的上部、下游导水部的上部前端设置挡水凸台13，减少水流由于装置厚度的影响。

如图9、10、11，在集水侧板的相对的内壁的上部，对称地设置两个挡水凸台13，挡水凸台设置在在集水侧板的内侧，朝向水流通道内部(即集水侧板的内部)上端。如图11A、11B，挡水凸台包括朝向上游导水部的第一挡水面131、朝向下游导水部的第二挡水面132和朝向过水断面部的中间挡水面133，第一、第二和中间挡水面垂直于水平面。中间挡水面为矩形，第一、第二挡水面为楔形，其中第一挡水面与上游导水部固定连接呈一体，即第一挡水面与上游导水部的后部的上端部分搭接、粘接或焊接在一起；第二挡水面与下游导水部固定连接呈一体，即第二挡水面与下游导水部的前部上端部分搭接、粘接或焊接在一起；中间挡水面与过水断面部的过水板的上沿固定在一起，即中间挡水面与过水板的上沿搭接、粘接或焊接在一起。中间挡水面与集水侧板相平行，其长度(沿着水流方向的长度)与过水断面部的长度相同，其底部与过水断面部的过水板上沿固定在一起；中间挡水面到集水侧板之间的距离与过水断面的过水板的厚度相匹配。

为了使本发明装置在野外使用过程中更加牢固，沿着集水部、水流通道部、盛水桶的外侧设置加固围堰9，如图1，加固围堰由化纤沙袋磊成，防止水流过大时，水流冲击下，集水侧板向外侧倾斜，导致测量结果不准确或装置损坏。

为消除装置制作、安装时产生的误差，对上游水头与流量的关系曲线进行现场校正，之后根据实测水头在关系曲线中获取对应的实时流量。校正时，在长喉槽出水口下侧的土槽内放置一个已知容量的、空的集流槽，同时用秒表计时，集流槽水满时立刻掐断秒表，计算出每秒钟的流量，并对应于当时的水位计数据。重复多次后绘制实测水头与流量的散点图，并拟合二者的关系曲线。

校正时，在水流通道部的尾部出水口下侧放置一个已知容量的集流槽，同时用秒表计时，统计集流槽集满水的用时并计算每秒钟的流量，接着与盛水桶内测定的水位(即上游水头)相对应，反复多次(至少5次，通常为5-10次)测定集流槽集满水的用时和盛水桶内测定的水位，计算每秒钟流量，然后绘制多次测定的上游水头与流量的散点图，并拟合二者的关系曲线(即流量与水头关系曲线)；根据测定的上游水头，对照拟合曲线，查出或计算出集水区水流流量。

本发明的集水区水流量的测定装置按照如下步骤顺序进行安装：

1)在集水区的沟道内选择测定装置的安装位置，接着在拟安装位置的上游布设化纤沙袋，拦截上方来水，然后在沟道所选位置开挖一个略大于本发明装置水流通道部的集水底板宽度的基槽，清基后用混凝土抹面，再接着在基槽内沿着水流的方向在上、下端分别浇筑一个混凝土基座，在中间段紧密填充化纤沙袋，并用水平仪调节混凝土基座至水平；

2)把本发明的测量装置放置于基槽上方，使用水平仪，调节集水底板水平、调节集水侧板沿水流方向成一直线，使集水底板的前沿与上游沟底齐平；

3)在装置的引水孔的外侧沿着引水管7延伸的外侧，引水管的出口处挖一个凹槽，用混凝土抹底至水平后，在槽中放置一个用来盛放水位计的加盖盛水桶6，保证盛水桶底部与装置的集水底板的上游底板在同一水平面，再将导水管伸入桶中；引水孔、引水管、盛水桶固定连接(通常为焊接、粘接等)

4)在测量装置下游的出水口的下方挖一个土槽，土槽底水平，在槽内放置一个用于收集流过过水断面部的水流的集流槽8；

5)沿着装置的外侧，即集水部、水流通道部的外侧紧密布设由化纤沙袋组成的加固围堰14，使得沟道流水能够全部汇入测流装置的水流通道部；

6)使用时，移除布设在上游的、拦截来水的化纤沙袋，使得集水区的水流流入本发明装置的水流通道部，测定集水区小流量水流的流量。

7)对上游水头与流量的关系曲线进行现场校正，之后根据实测水头在关系曲线中获取对应的实时流量。校正时，在长喉槽出水口下侧的土槽内放置一个已知容量的、空的集流槽，同时用秒表计时，集流槽水满时立刻掐断秒表，计算出每秒钟的流量，并对应于当时的水位计数据。重复多次后绘制实测水头与流量的散点图，并拟合二者的关系曲线。

试验例 流量测定

本发明测定装置安装在待测定的集水区后，首先测定过水断面部底边的长度(沿着集水底板长度方向的过水板的长度)L；接着测定过水断面部两块过水板板面之间的夹角θ；上游沟道内有水流时，水液通过集水板汇集至装置的水流通道部内，经过上游导水部，水流提升后流过过水断面部，然后经下游导水部流出本发明装置，水流通过本发明装置时，通过盛水桶内的水位计测定上游来水水头h，按照公式(1)计算水流流量Q，公式(1)具体如下：

3)按照公式(1)计算集水区内水流流量Q，公式(1)具体如下：

式中：Q为待测定集水区内水流流量，m³/s；h为上游实测水头，m；Cd为流量校正系数，C_d＝(h/L-0.07)^0.018，其中L为过水断面部长度，m；g为重力加速度，9.8m/s²；θ为过水断面部过水断面夹角，通常为小于180°，优选为45-120°，进一步优选为90-120°。

例如：在青海省西宁市大通县，选择集水区的典型沟道进行了试验示范。

测流装置的过水断面部的过水板沿着水流的方向的长度L为0.09m；过水断面部两块过水板板面之间的夹角θ为90°；在7月中旬盛水桶内的水位计测定的水流通道内的水头h为0.02m；

按照公式(1)计算得到的集水区内水流流量Q为3.91974E-09m³/s，通过校正曲线得到的集水区内水流流量Q为6.92919E-08m³/s，通过校正曲线得到的集水区内水流流量Q为3.91974E-08m³/s；而采用薄壁堰测定的集水区内水流流量Q为3.98377E-04m³/s；集水区内产水水流的流量实际为1.14675E-08m³/s。集水区内产水水流的实际流量是在盛水桶内水位计测定水头h为0.02m时，通过集水槽收集过通道流水，量测计算后获取的1.14675E-07m³/s。

采用本发明的测量装置测定的集水区小流量水流的测定结果更准确、真实、可靠，更能准确反映集水区内的产流情况。

本发明上述实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种集水区水流量的测定装置，包括集水部、水流通道部、盛水桶、上游导水部、过水断面部和下游导水部，其特征是，

所述集水部设置在装置的前端，与设置在集水部后端的水流通道连接呈一体，用于汇集集水区上游来水；

所述盛水桶设置在水流通道的外侧，通过引水管与水流通道相连通；

所述上游导水部、过水断面部和下游导水部设置在水流通道部的内部，且依次固定连接呈体，过水断面部设置在水流通道部的中前部或中部，上游导水部倾斜向上，缩小通道内的过水面积，抬高水流通道内水流的水位，使得通道内水位变化明显；下游导水部倾斜向下，增大通道内的过水面积，将水流导出通道。

2.如权利要求1所述的测定装置，其特征是，所述水流通道部包括集水底板1、2块集水侧板和2个或2个以上的支撑件，其中：

所述集水底板水平放置在待测定集水区的水流沟道内，集水底板与水平面相平行；

所述2块集水侧板竖直安装在集水底板的上表面，且相互平行；集水底板和集水侧板围成顶部和两端开放的长方体型的水流通道；

所述支撑件对称地设置在集水侧板的外侧，用于支撑和固定集水侧板，防止集水侧板向外侧切斜，使得集水侧板与集水底板相垂直。

3.如权利要求2所述的测定装置，其特征是，所述集水底板包括呈矩形的由上游底板和下游底板，所述上游底板与下游底板固定连接呈一体，且上游底板的厚度大于下游底板的厚度。

其中，所述上、下游底板水平放置，沿着宽度方向固定连接成一体，形成的集水底板的下底面在同一水平面内，上游底板的上底面高于下游底板的上底面。

4.如权利要求2所述的测定装置，其特征是，所述集水侧板包括2块矩形的集水前侧板和集水后侧板，所述前侧板与后侧板固定连接呈一体，且集水前侧板的高度小于集水后侧板的高度，所述集水侧板的上部在同一水平面内。

5.如权利要求4所述的测定装置，其特征是，在其中一块前侧板的底部开设引水孔，且位于水流通道的前端，靠近集水部一端，用于将水流通道部内的水引入到盛水桶内，测定集水区上游水头。

6.如权利要求1-5任一所述的测定装置，其特征是，所述上游导水部包括2块形状呈梯形结构的上游导水板，所述上游导水部且沿着水流通道的长度方向呈轴对称设置，梯形结构的上游导水板的上底固定在一起；下底分别倾斜靠在集水侧板的前侧板的内壁上，且分别与前侧板的内侧壁固定在一起；其中一个侧腰斜边与上游底板固定在一起，称为上游导水板第一斜边；另一个侧腰斜边与所述过水断面部固定在一起，称为上游导水板第二斜边，上游导水板第一斜边的长度大于上游导水板第二斜边的长度。

7.如权利要求1-5任一所述的测定装置，其特征是，所述下游导水部包括2块形状呈梯形结构的上游导水板，所述上游导水部且沿着水流通道的长度方向呈轴对称设置，梯形结构的下游导水板的上底固定在一起；下底分别倾斜靠在集水侧板的后侧板的内壁上，且分别与后侧板的内侧壁固定在一起；其中一个侧腰斜边与下游底板固定在一起，称为下游导水板第一斜边；另一个侧腰斜边与所述过水断面部固定在一起，称为下游导水板第二斜边，下游导水板第一斜边的长度大于下游导水板第二斜边的长度。

8.如权利要求1-5任一所述的测定装置，其特征是，所述过水断面部包括2块矩形的过水板，两块过水板沿着水流通道的长度方向固定连接呈一体，形成垂直于水平面的横截面呈“V”字形的过水断面，固定在一起的侧边形成过水断面部的底边；与过水断面部底边相平行的过水断面部上沿与集水侧板的内壁固定连接在一起。

9.如权利要求1-5任一所述的测定装置，其特征是，还包括挡水凸台、集流槽或加固围堰中的一个或多个；其中：

所述挡水凸台对称设置在集水侧板内侧壁的上部，位于上游导水部的上部末端、过水断面部的上部和下游导水部的上部前端；

所述集流槽设在水流通道部末端的下方，起到缓冲作用，防止水冲刷坡面；

所述加固围堰设置在集水部和水流通道部的外侧，用于防止集水板、集水侧板向外侧倾斜。

10.一种利用如权利要求1-9任一所述装置测定集水区水流量的测定方法，包括如下顺序进行的步骤：

1)通过设置在盛水桶内的水位计测定集水区水流的水头h；

2)测定过水断面部的过水断面底边沿着水流方向的长度L和过水断面部的两个过水板之间的夹角θ；

3)按照公式(1)计算集水区内水流流量Q，公式(1)具体如下：

式中：Q为待测定集水区内水流流量，m³/s；h为上游实测水头，m；Cd为流量校正系数，C_d＝(h/L-0.07)^0.018，其中L为过水断面部长度，m；g为重力加速度，9.8m/s²；θ为过水断面部过水断面夹角，其中，θ小于180°，优选为45-120°，进一步优选为90-120°。