□郭东渠（河南省周口水文水资源勘测局）

能坡法测流原理及应用

□郭东渠（河南省周口水文水资源勘测局）

能坡法是一种新型的流量测验模型，以声学多普勒流速流量剖面仪为基础，在已知大断面的情况下，配合自记水位计，可以快速、精确地测量出断面流量，结合计算机处理、网络数据传输等先进技术，通过系统运行，可以完成信息采集、计算、存储、转发、展示、数据维护、数据分析计算等一系列功能，并可实现流量测验数据远程监控，经过实际应用，系统比较稳定，测量数据比较合理，适合在大洪水期间报汛、水文巡测、水文应急测验、水资源监测等场合使用。

能坡法；测流；模型；应用

1　概述

随着社会经济的发展，国家对水资源管理工作提出了更高的要求，逐步实现从传统水利向现代水利、可持续发展水利转变，以水资源可持续利用支持流域经济社会可持续发展。水文资料是水资源管理的基础资料，改善水文监测条件也是水资源可持续利用和水资源管理的需要。

沈丘水文站位于河南省周口市沈丘县城关镇李坟村，设立于1951年4月，集水面积3 094 km2。该站是豫、皖两省重要省界站，流域省界水资源水量监测是流域水资源管理关注的重点之一,是流域两省级行政区水量分配、取水总量控制管理的重要依据。能坡法流量监测系统建成后可实现水位和流速数据自动采集、流量自动计算、存储、传输至目的地。

系统建设结合计算机处理、网络数据传输等先进技术，将常规的水文要素监测方式转变为信息采集、存贮、传输运用的体自动化、数字化的过程。结合国内已建成的水文监测监控系统的成功经验，建设技术先进的信息采集与展示系统。

系统建设注重实用性、可靠性的结合，采用成熟的自动测控技术、计算机通信技术、计算机网络技术，确保系统的信息采集与管理系统实用性。系统建设后，将进一步提高本站的测验能力，更好地为国民经济建设提供服务，为下游防洪和区域水资源管理提供可靠的水文监测资料。

2　能坡法测流系统简介

2.1能坡法测流系统原理

能坡法是以曼宁公式为基础，借助水力学实验方法，从矩形、三角形断面入手，寻求垂线流速与断面平均流速的关系，建立与曼宁公式具有相同结构形式的垂线流速公式；改天然河道中综合糙率为分解糙率；并以二条实测垂线流速为已知条件反求能坡（水流能量坡度）参数，代替曼宁公式中比降与糙率的比值关系，从而使成果精度显著提高，并借助等效流量原理，解决多种非恒定、非均匀流条件下流量计量问题。即在计算垂线流速的过程中，不规则断面可得到相应的处理。将需要计算流速的垂线置于水深等于该垂线水深、水面宽等于相应水位下水面宽的虚拟矩形、三角形断面中，分别求出垂线在两种虚拟断面中的流速，根据两虚拟断面中平均流速之差与夹在两虚拟断面中的不过水部分的面积占两种虚拟断面面积差的比重，用“比例分成法”求出垂线的实际流速，然后以所求得的各垂线流速，用“流速－面积法”计算流量方法求出全断面流量。

2.2系统结构及组成

能坡法流量实时在线自动监测系统由流速信息采集、流量计算、数据处理转发以及基于数据库在线流量的查询系统组成。通过运行系统软件，完成信息采集、计算、存储、转发、展示、数据维护、数据分析计算等一系列功能。测站端计算机运行流量计算程序和数据传输软件。信息中心服务器运行数据接收模块、提供数据库与网页服务。这样，在测站端自动监测流速等数据，计算出流量，上传至信息中心服务器。信息中心服务器接收并入库，再以网页形式，为用户提供数据查询、维护、分析等服务。系统设备包括：浮子式水位计、Flowscout2000型声学多普勒流速流量剖面仪、配套仪表等，仪器安装于河道底部，由河底向水面发射声波进行测量。

2.3断面流量计算

根据河段和断面资料划分出断面的分块糙率，计算出第V'i条垂线流速。用第i条实测流速Vi作为已知的条件，则能坡参数计算可用垂线流速逆运算法求得。

在已知大断面的情况下，只要测量出测速垂线的垂线平均流速，即可计算出断面上任一条垂线流速及水深，进而推算断面流量。

式中:kc—是垂线影响系数，与河底的质地、形状及能坡不均匀分布有关；kv—动力因子，是垂线产生流速的动力因素,与垂线平均流速、水深有关，其中：

如图1，当断面设有两条实测流速垂线时，可求得两个能坡参数值，左边垂线至左岸各垂线流速计算采用左垂线的能坡参数值计算，中间部分垂线采用左、右两垂线能坡参数的差值按线性内插法计算各垂线流速，右垂线至右岸之间垂线采用右垂线能坡参数计算各垂线流速。

图1　垂线流速图

待断面上各垂线平均流速值求出后，回归至传统的流速仪测量方式对断面流量进行计算。两条流速垂线位置不应该选择岸边和中泓，应该分别选择在距左、右岸约1/4水面宽为宜。

3　系统运行及维护

3.1系统运行

3.1.1系统需求

硬件环境：服务器CPU Intel Corei3以上内存2GB以上硬盘80GB以上；软件环境：Windows8，SQL Server2008。

3.1.2软件安装

在安装本系统之前，需先安装.Net Framework、SQL Server2008，安装方法请参照.Net Framework及SQL Server2008有关说明。将光盘插入到光盘驱动器中，从"我的电脑"或资源管理器中进入该光盘驱动器，双击"Setup.exe"文件启动安装程序。以后按程序提示进行。

3.1.3软件卸载

从“控制面板”的“添加删除程序”中选择“横断面垂线平均流速分布计算模型”程序项，按“添加或删除”，或双击安装程序目录下的unins.exe，即可卸载本软件。

3.2系统维护

3.2.1重启工控机

重启工控机后，在启动菜单中的程序会自动启动，其中与本系统有关程序为（横断面垂线平均流速分布计算模型）AutoWaterSystem.exe。

3.2.2系统网络连接异常

系统提示网络连接异常，工控机与远程服务器之间无法连接，主要有以下原因，工控机网络故障，如网线断开、中毒、网卡损坏、网络被禁用等；远程服务器离线（服务端常开）。

解决方法：点击开始－控制面板－网络和Internet－查看网络状态，检查网线是否断开。

3.2.3流速信号异常

系统状态界面不显示串口数据信息，出现这种现象的原因一般是串口故障，如串口松动等；也可能是流速仪故障，如流速仪配套仪表未开机、流速仪线路或探头故障。

解决方法：查看工控机及流速仪配套仪表各串口接触是否良好；各设备开机，查看“横断面垂线平均流速分布计算模型”系统状态界面提示信息。若提示“串口COM没有打开”、“串口COM发送命令出现错误”，则为工控机串口或工控机串口连接线故障；若连续提示“记录量设备一0设备二0”则为流速仪线路或探头故障。

4　结语

基于能坡的垂线平均流速分布模型，以过水断面为基础，通过一条或两测速垂线，借用大断面，可快速、精确地计算出断面流量。由于只测一到二条垂线平均流速，大大地缩短了测流历时，在陡涨陡落的中小河流抢测洪峰时，测验精度会高于常测法，适合在大洪水期间报汛、水文巡测、水文应急测验、水资源监测等场合使用，也可做成明渠流量计实时在线监测。

该模型的适用范围比较广泛，该模型用于人工测流时，可以采用船测、桥测、缆道测流、涉水测流、电波流速仪测流甚至是浮标测流，只要能测到一条垂线的流速就行；用于自动测流时，最少只用套测速设备，可以把建设成本降至最低；且该模型用前不需率定，只要有大断面就可以使用，无资料的新建站也可使用。模型在实际应用时，宽度在50m以内的人工渠道用一条测速垂线即可取得较高的精度；对于宽度在50m以上的宽浅河道，建议用两条测速垂线，一条用于计算，另一条用于误差校正，可取得较高的精度，同时可以预估测验误差。

由于模型采用了概化的垂线影响系数，因此在应用时可能与实际情况有差别。对于复杂的测验河段，应对垂线影响系数进行水位分级，不同级别的水位，使用不同的垂线影响系数，以提高测验精度。由于只用一条或两条垂线平均流速计算其它垂线平均流速，因此实测的垂线平均流速必须准确。

（责任编辑：刘长垠韦诗佳）

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2016-5-22