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    二线能坡法测流规程

    2019-02-14 09:47:52

    1  总    则

    1.0.1  为规范二线能坡法流量测验与分析计算等方面的技术要求,保证流量测验成果质量,制定本标准。
    1.0.2  本标准适用于测验河段断面基本稳定或有冲淤变化但冲淤基本平衡的天然河流、人工河渠的流量测验。
    1.0.3  本标准中的二线能坡法测流是指:通过实测断面中泓两侧的两条垂线流速,按本标准规定的步骤计算断面流量的方法。方法介绍见附录A
    1.0.4  采用二线能坡法测流的水文站,应通过比测或历史资料分析检验,并经流域水文机构或省级水文管理机构审查批准后方可应用。
    1.0.5  本标准引用的主要标准有:
    《河流流量测验规范》(GB50179-93
    《水文巡测规范》(SL195-97)
    《水文资料整编规范》(SL247-1999)
    1.0.6  利用二线能坡法流量测验除应符合本标准规定外,还应符合国家现行有关标准的规定。

    2  基本规定

    2.1  应用

    2.1.1  本方法适用于:
    ——测验河段断面基本稳定
    ——有冲淤变化但冲淤基本平衡的常规单次流量测验
    ——受涉水工程影响,需要通过连续流量测验
    ——洪水期或特殊情况下的应急流量测验
    2.1.2  二线能坡法是通过两条实测垂线流速获取垂线流速模型参数,把常规流量测验施测多条垂线流速变为计算多条垂线流速,通过流速——面积法计算断面流量。
    2.1.3  利用二线能坡法在已知横断面(起点距及河底高程已知)上进行流量测验时,确定流量的误差所需要资料的收集和整理方法与流速——面积法相同。
    2.1.4  可通过仪器选型、安装方式的变化,以及无障碍航行设计、防水面漂浮物设计、防损毁设计等,建立流量实时在线监测系统。

    2.2  测验河段选择

    2.2.1  测验河段选择应满足设站目的,保证测验资料的精度,符合观测方便和测验资料计算整理简便的要求。
    2.2.2  测流河段宜顺直、稳定、水流集中,无分流、岔流、斜流、回流、死水等现象。顺直河段长度应大于洪水时主河槽宽度的3倍。
    2.2.3  在平原区河流上,要求河段顺直均整,全河段应有大体一致的河宽、水深和比降,单式河槽河床上宜无水草丛生。
    2.2.4  测验河段应选在河槽的底坡、断面形状、糙率等因素比较稳定和易受河槽控制的河段。河段内无巨大块石阻水,无巨大旋涡、乱流等现象。
    2.2.5  在潮汐河流上,宜选择河面较窄,横断面较单一,受风浪影响较小的河段。
    2.2.6  水库、湖泊出口站或堰闸站的测验河段应选在建筑物的下游,避开水流大的波动和异常紊动影响。当在下游测验有困难而建筑物上游又有较长的顺直河段时,可将测验河段选在建筑物上游。
    2.2.7  结冰河流的测验河段不宜选择在有冰凌堆积、冰塞、冰坝的地点。

    2.3  两条垂线布设及流速测量

    2.3.1  两条流速垂线位置不应选择岸边和中泓,分别选择在距左、右岸约1/4水面宽处为宜。
    2.3.2  水位变幅较大的深槽式河道,可选择固定起点距的两条垂线。
    2.3.3  河道水面宽变化较大时,可选择非固定起点距的两条垂线。
    2.3.4  垂线流速测量方法
    1  多点法:沿每条垂线自水面至河底之间,布置一定数量的测点,对各测点的实测流速算术平均法或几何法计算出垂线平均流速。
    2  一点法:当垂线流速在纵向分布有较好规律呈指数或抛物线分布时,可用任意一点法的实测流速计算垂线平均流速。一般相对位置0.6的流速系数为1.0,水面流速系数在0.84~0.90之间。
    3  垂线平均流速法:采用具有测量剖面垂线流速功能的仪器,直接测量垂线平均流速。
     

    2.4  计算流速垂线确定

    2.4.1  计算流量所采用的流速垂线条数应符合表2.4.1的规定:
    流速垂线条数
                 2.4.1
    河宽(m ≤5 5~10 10~100 ≥100
    垂线数 10 20 30 50
     
    2.4.2  一般情况下,流速垂线数的确定应使每一部分流量占总流量的比例一般不超过10%。
    2.4.3  垂线位置的确定要尽量选择能控制断面形状变化和流速沿断面横向变化分布的转折点。

    3  流量计算

    3.1  虚拟流速计算

    3.1.1  断面分解按测流垂线的布设要求(如图:3.1.1-1所示),根据每条垂线的水深和所处的起点距位置,分解为若干个虚拟矩形和三角形断面。分解方法如下:
     
                           图3.1.1-1  断面垂线布设情况
       1 3.1.1-2为垂线1所对应的虚拟三角形(AED),虚拟矩形(ABCD)。
    3.1.1-2  1虚拟断面分解图
     
       2 3.1.1-3为垂线9所对应的虚拟三角形(AED),虚拟矩形(ABCD)。虚拟三角形均应为*大有效过水面积,不能含有不透水面积,因此图中三角形的ED边只能与河底的F点相切,而不能直接采用EG两点连线。
     
    3.1.1-3  9虚拟断面分解图
     
    3.1.2  虚拟矩形断面垂线流速按下列公式计算
                                          3.1.2-1
                                             3.1.2-2
    式中V距(i)、V距(r)—流速垂线所对应虚拟矩形断面左、右两边的流速;
    n(i)、n(r)—流速垂线所对应虚拟矩形断面左、右两边的糙率;
    R(i)\R(r)—流速垂线所对应虚拟矩形断面左、右两边的水力半径;
    a—流速垂线所对应虚拟矩形断面流速修正系数,见表3.1.2
    S0—初始能坡参数。一般取测验河段河床平均坡降。
    3.1.2  虚拟矩形断面流速修正系数
    宽深比B/h 1 3 5 10 50 150 170
    流速修正系数α 1.139 1.140 1.131 1.114 1.079 1.069 1.068
     
     
     

    3.2  糙率计算

    3.2.1  糙率计算应包括下列内容:
    1  沿断面宽初始糙率确定
    2  虚拟断面糙率计算
    3  特征糙率计算
    4  垂线区间糙率计算
    3.2.2  沿断面宽初始糙率确定
    根据测验河段及断面组成情况,可以表3.2.2来确定分块糙率的初始值。
     
    3.2.2  糙率(n)查用表
     
    河道特征 河床介质特征及情况 n
     
    人工开挖疏浚河道
     
    泥沙、粘土、壤土
    光滑、均匀分布条、块石
    有凸凹不平、石板、不规则断裂
    0.0160.033
    0.0250.040
    0.0350.050
     
     
    天然粗糙河道
     
     
     
    沙质河床,中数粒径         0.20.5mm
                               0.51.0mm
    沙砾河床质,颗粒大小         420mm
    2060mm
    小圆石和鹅卵石              60110mm
    110250mm
    0.0120.022
    0.0220.026
    0.0190.022
    0.0220.029
    0.0270.030
    0.0300.035
    天然河道
     
    有矮草
    耕地含成熟农作物
    分散灌木、杂草
    中等密度灌木
    高等密度灌木
    砍伐后有树庄
    砍伐后长势茂密的树苗
    茂密树林、没有矮树
    有密集的柳树林
    0.0250.035
    0.0200.050
    0.0350.080
    0.0450.160
    0.1000.200
    0.0300.050
    0.0500.080
    0.0800.120
    0.1100.200
     
                     3.3  能坡计算
    3.3.1  二线能坡法是采用两条或两条以上的实测垂线流速,输入到模型逆向求解,分别得到两个或两个以上的能坡,并对能坡进行数值方法处理,在河道断面上选择若干条垂线利用模型计算出每条垂线的流速,再乘以垂线间的面积计算出断面流量。这种方法把各种复杂水流变化所导致断面流速变化,概化为能量坡度变化反映出来,通过模型计算,不但简化了流量测验工作,同时为流量自动化测验技术创造了条件。

    3.4  精度要求

    3.4.1  在投入使用前,可用流速仪施测资料进行对比分析,并编写分析报告,报告应包括如下主要内容:
    ——测站特性等测站基本情况
    ——测验河段水流特性
    ——适用实测垂线位置及断面垂线布设分布情况
    ——断面糙率组成情况及初始糙率设定情况
    ——误差分析
    ——比测分析结果评价
    ——申报使用条件及范围
    ——质量保证措施等
    3.4.2  用二线能坡法建立计算模型时,应经过实测资料的检验,并满足软件测试要求,经省级及以上水文管理部门审查同意后方可使用。
    3.4.3  应执行有关测速、测深、测宽的技术规定,并经常对这些设备进行检查和校准。

    4  仪器的选择及安装

    4.1  仪器选择

    4.1.1  当具有安全可靠的渡河设施、设备,如桥梁、测船、过河缆道等,需要快速进行流量测验或应急流量测验时,可用转子流速仪进行两条垂线的流速测量,具体采用几点法视所定的两条垂线流速分布而定。每一测点历时不得少于60秒。
    4.1.2  需要连续在高含沙量的河流上施测流量变化过程的站,可以选用电磁流速仪,且每次测量应不少于5次,取其平均值,其5次测量流速相差一般应在5%10%之内。
    4.1.3  通过实测资料分析,若垂线流速纵向分布有较好的规律性,综合流速系数(断面平均流速0.20m/s标准差不超过5%,或断面平均流速≤0.20m/s流速绝对值不超过0.04m/s)时,可以选用超声波测速仪或海流计等仪器施测流速,再乘垂线流速系数求得垂线平均流速,测速时间一般取120180秒的平均值。
    4.1.4  垂线流速关系混乱,受变动回水顶托频繁,水位或流量变动(跳跃)梯度大,一般选用声学多普勒测速仪直接快速施测垂线平均流速。取5次测量的平均值。

    4.2  安装方式

    4.2.1  浮船式:一般用于平均水深在1m以上,在不影响通航情况下采用两条浮船固定仪器进行测速。
    4.2.2  浮标式:这种安装方式一般适用于通航河流,其仪器固定在浮标下面相对位置,仪器与浮标采用钢链连接,仪器有导流尾翼和水平尾翼,可以保证与水流纵横方向平衡。
    4.2.3  沉底式:一般用沉箱式底座桩固定在河底,但仪器距河底距离一般不小于0.50.8m,这种安装方式所选用仪器必须是可测量垂线流速。
    4.2.4  岸壁式:一般采用仪器为ADCP,通过自动驱动装置用多点法测取左、或两岸固定起点距上两条垂线流速。
     
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