传感智库丨流速面积法测量明渠断面流量 - 声学多普勒流速仪走航式测流时，水流速度过小，船速不宜大于的断面平均流速

随着工农业生产和生活用水量的增加，水资源供需矛盾日益尖锐，计划用水和水量调配工作显得越来越重要，很多场合都需要能够迅速、准确地测量明渠断面流量。

" W; R$ x @3 V* [, K* z

目前，国内外研究水流流量的方法主要有：垂直多普勒法、流速面积法、雷达波桥测、曲线率定法、遥感测量法、控制断面法等。流速面积法是通过将水流断面分割，采用局部测量求和的方式获得整体流量。

3 W5 w' v6 \7 @

一、水断面流量基础公式

在某一给定的瞬间，水流流经过水断面的水量为：

式中：v表示垂直于面积元ds的流速分量；V=v(x,y)；积分域包括整个过水断面面积，上式可以变换如下：

二、流速面积法基本原理

流速面积法就是基于明渠断面流速分布经验公式，测得断面某点流速及断面水位和渠底泥位后，通过计算获得断面流量。其基本原理是：将断面细分为多个分区（如下图所示），测得断面某一点（布置流速仪后，该点绝对位置即已固定）处的流速及断面水位和渠底泥位后，根据断面垂线流速分布律及测点位置、测点流速和水深值，得到流速测点所在垂线的平均流速，根据垂线平均流速的横向分布律得到各分区中垂线平均流速，各分区的平均流速由分区中垂线平均流速代替，求得各分区流量后求和得断面总流量。

( x0 H# N" Y! x" w2 j& [

三、流速面积法计算公式

8 t; r$ f( v" U# b

应用流速面积法测量明渠断面流量时，按上述基本原理，先将明渠断面等分为n个分区，然后通过计算各个分区的流量，并进行求和得到明渠断面的总流量。其流量计算公式为：

式中：△Si为第i个分区的面积；B为水面宽度；Hm为断面中垂线处的水深；Vi为第i个分区中垂线的等效平均流速（对矩形断面明渠，其值为分区中垂线平均流速；对梯形断面明渠，其值为分区中垂线平均流速的H/Hm倍，Hi为明渠第i个分区中垂线处的水深），对矩形和梯形断面明渠，Vi分别按截面积流速计算公式求出。

- _1 ]. q8 G6 W

四、流速面积法实测明渠断面流量

实测明渠断面流量根据流速面积法得到。根据实测点流速计算实测断面流量的过程中，这里采用的是我国规范的方法—平均分割法。该方法先以测速垂线作为划分子区域的界线，将明渠断面划分为几个子区域，再根据实测流速及水深，计算各子区域的断面面积、平均流速及流量，然后将各子区域的流量进行求和得到的。断面流量Q的计算公式可表示为：

式中：hi为第i条测速垂线处的水深；Vi为第i条测速垂线的垂线平均流速；△Zi为第i-1条与第i条测速垂线之间的水平距离。

9 k7 W4 J# c$ G) P, \' b+ C

其中，Qi表示流量计测量的瞬时流量值，△t表示RTU读取流量计瞬时流量值的测量时间间隔。

五、流速测量设备

流速面积法可使用声学多普勒流量计测量流速。声学多普勒流量计是一款接触式声学多普勒测流设备，尤其适用于浊度大于20mg/L的流体流量测量。具有微功耗、高精度、宽量程等特点，操作简便，可同时检测流量、流速、水位、水温、剩余电量、电压等多种参数，能够很好的满足用户对于产品高精度和高稳定性的需求。具体技术特点如下：

（1）断面流速测量：

) ^3 m, `3 Q2 G Z5 I# e9 i+ e

超声波探头的测量截面为椭圆形，覆盖不同纵深的流速，更接近于断面流速；

（2）测量精度高：

选带傅里叶变换(Zoom-FFT)算法保证测量结果稳定并具有毫米级别的速度分辨率；

（3）结构设计独特：

通过专利保护的结构设计有效防止淤泥堵塞关键测量部位，减少流量计的维护；

（4）低功耗设计：

嵌入式软硬件整体低功耗设计、先进的电源管理策略及科学的工作模式切换；

（5）应用场景广：

浊度大于20mg/L的满管和非满管流量测量均可，通过选用宏电相关配件可扩展支持淤积监测功能；

& S5 E C# j- ^3 F5 W

（6）防护等级高：

2 A7 Y2 ^+ M0 s% i- k7 @9 h, e

IP68防水防尘等级，可满足各种不同应用场合；

（7）电路异常保护：

. Y: T4 _1 U! b0 p1 q

有过电压保护、浪涌电压保护及电源极性反接保护，避免操作失误引起的电气损坏。

# I" I+ n' v0 ?9 ?0 K* }0 k