灌区量测水技术及装备

灌区量测水技术及装备

水利部南京水利水文自动化研究所Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and

Hydrology Ministry of Water Resources P.R.CHydrology Ministry of Water Resources P.R.C

目录南京水利水文自动化研究所

主要内容第一部分灌区量测水基本要求和方法第二部分流速面积法的流量测量技术第三部分水位流量关系的流量测量技术第四部分灌区量测水信息化系统建设要点

第一部分灌区量测水基本要求和方法

“ 数字灌区”的建设是汇集了多种学科的多种技术，也是一个技术高度集成的信息化系统，“数字灌区”主要由信息的采集、传输、存储、分析处理、信息表示五部分组成。

量测水监测站信息传递遥测通信网接收处理中心站组成组成

可由网络与其他系统进行信息交换

灌区量测水自动监测站是“一种能自动进行观测和发送或记录灌区用水观测数据的仪器。如果需要，可直接地或在中心站编发灌区量测水水情报告，也可按业务需求编制各类灌区水管理报表。”

南京水利水文自动化研究所

灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所

　　灌区信息采集由三部分组成，分别为灌区测量对象部分、各类传感器部分、灌区数据采集部分。根据灌区信息采集的需要，数据采集终端由数据采集子系统、数据预处理子系统和后备电源子系统构成，实现对现场数据的实时采集、处理、存储及保护。数据采集子系统由模拟量输入模块、数字量输入模块组成，实现现场数据的实时采集。数据预处理子系统是一包含数据采集控制、数据预处理、数据存储保护、数据通讯控制等模块的单片机应用系统，在数据采集终端允许的条件下，对采集到的数据做适当的运算处理，并对其进行可靠保护，为数据通讯做好准备。　　

数字灌区量测水需求


　　灌区信息传输技术用于灌区数据通信网络的建设。根据灌区信息化及“数字灌区”对通信网功能的要求，建立通信网时采用有线与无线相结合的方式进行。有线网采用专网与公网相结合的方式建立，无线网采用 GSM （ SMS/GPRS ）、 CDMA 、超短波、卫星、扩频微波等方式建立。　　



　　对灌区的各类雨情、水情、工情、灾情及各种实时数据、预报数据，水资源遥感信息、地理数据信息的存取主要采用目前主流的关系型数据库管理系统，其技术比较成熟，比如： Oracle 、 Microsoft Sql Server 、 Sybase 等大型数据。根据现有灌区的组织体系，各部门除了有共同的数据之外，还有自己的数据，而且大部分的数据都是由各个监测站、测控站、管理站输入或上传，采用集中式数据库管理方式和分布式数据库管理方式。　　



　　《大型灌区信息化建设技术指南》中按照灌区数据更新的频度及时限长短分为灌区的基本信息、实时数据、多媒体数据、超文本数据和灌区空间基础数据等五类灌区信息。

　　为了灌区的管理需要而监测的量测水信息则包括以下三部分：　　　 1) 灌区水资源信息。包括降水量、蒸发量、水位、流量、取水量、用水量、排（退）水量、地下水开采量、水质等监测要素。

2) 灌区工程信息。包括泵站、闸门、水电站等水利工程运行的闸位；闸门、泵站、工程机械启动停止信息；管道内压力等信息。

3）灌区远程监控信息。对河流断面、水源地、渠道、涵闸和取排（退）水口等重要对象，实施远距离的视频监视信息；采用手工、半自动和自动等手段对重要闸门、水泵实施控制运行后的反馈信息。　　

灌区信息监测范围


　　灌区量测水主要监测要素包括流量、总水量、水位、水质、降水量、土壤墒情等信息。不同应用场合的流量监测方法不同。明渠中的流量监测是间接测量，不能直接测得流量，而是要测量水位、水深、断面起点距、流速等多个要素，然后用数学模型计算得到流量。因而流速、水位、水深、起点距成为直接的水资源监测要素。用于满管管道流量测量的管道流量计，直接测得流量数据。用于非满管管道流量测量的管道流量测量设施，也属于间接测量，需要测量水位、流速，然后用数学模型计算得到流量。灌区取用水监测希望得到的是在某一时段内，流过明渠或管道测流断面的水量，即以水的体积计量的总水量（累积水量）。需要测量流量随时间的变化过程，从而得到总水量。

灌区信息监测范围


　　灌区量测水监测信息还包括取水量、用水量、排（退）水量、地下水开采量等监测监控要素，实际上也可以归为上述各类要素监测，只是应用场合不同，还包括了压力暗涵及城市、工业的明渠管道输水测量。

　　灌区量测水监测要素包括水利工程信息，如泵站、闸门、水库等水利工程运行的闸位；闸门、泵站、工程机械启动停止信息；管道内压力等信息。为了灌区取用水量及水资源管理调度，需要远程监控量测水信息。

灌区量测水监测的主要要素是流量、水位，以及一些水利工程的运行参数。流量测量可以分为河流、渠道、管道、地下水开采流量测量。

灌区量测水监测与控制要素


　　灌区量测水监测中的管道流量和部分渠道流量测量准确度要求可能高于河流流量测验要求。地下水开采流量也应用明渠和管道流量测量方法监测，能达到相应的准确度要求。为了达到较高的灌区量测水流量监测准确度要求，对有些监测要素可能提出较高的准确度要求，如要求水位监测达到毫米级精度。对一些监测控制信息，应有较高的准确度和可靠性要求。

灌区量测水监测与水资源管理系统需要传输有关图像，以监视现场。对需要控制运行的泵站、闸门等设施，需要保证能可靠控制其运行，并不断监测其工作状况。

灌区量测水监测与控制要素


灌区取用水监测要素测量准确性要求灌区取用水监测水位、流速、流量的方法与水文测验、管道流

量测量方法基本相同。在明渠中监测时，量测水监测的要求可能比一般水文测验高一些，在管道流量测验中，二者要求基本一致。

对仪器设备的测量准确性要求： 1 ）明渠流量测量误差不大于5% ，部分堰槽测流的流量测量误差允许为不大于 8% ； 2 ）管道流量测量误差不大于 5%； 3 ）水位测量的误差不大于 2‰ 量程，或不大于 ±2cm 。

上述要求中，明渠流量测量误差要求较高。在《流量测验规范》中，流速仪法的测量成果被认为是最准确的，可以作为其它测流方法的标准。

灌区量测水基本技术要求


灌区取用水监测仪器设备使用环境要求 1) 室外设备：环境温度 A 类为 -25～ 55℃， B 类为 -10～ 45℃；

水体不能冰冻；相对湿度为 95% ；特殊环境下使用时，应对所用设备提出特殊要求。

　　　 2) 室内设备：环境温度为 -10～ +40℃；室内水质仪器的环境温度不低于 0℃；相对湿度不大于 95% 。

　　　 3) 水下设备应具有相应的耐压、密封性能和耐腐蚀性。　　　 4) 应能适用于一般淡水水体，包括中水和一般污水。用于严重污染

水体时，应注意所用设备的适用性。　　　 5) 应按《外壳防护等级（ IP代码）》标准规定相应的外壳防护等级。　　　 6) 有防雷电干扰要求的设备、在工业环境中应用的设备，应有电磁环境适用性要求。具体要求和试验方法应符合 GB/T 17626 《电磁兼容试验和测量技术》的有关规定。



灌区量测水监控设备可靠性要求 1) 用平均无故障工作时间（ MTBF ）来衡量自动测量连续工作设备

的可靠性，单台设备的 MTBF 应大于 25000h 。　　　 2) 在线记录仪器的 MTBF 应大于 40000h 。　　　 3) 用可靠度来衡量间歇使用设备的可靠性，其可靠度 R （ 1000 ）应

大于 0.95 。可靠性要求中的平均无故障工作时间、可靠度要求和水文仪器相同，选择的等级数据要求是水文仪器中较高的要求。但水资源监测仪器具有很多类别，有些仪器设备可能达不到上述可靠性要求。


其它技术要求灌区量测水监控设备应具有一定的防雷抗干扰的性能。避雷措施基本

要求应符合 GB50057 《建筑物防雷设计规范》和 SL61 《灌区量测水信息管理系统技术规范》的规定。


明渠流量监测方法明渠流量测验方法和常用水文测验方法相同，分为流速面积法、水力学

法、示踪剂法和容积法。　　　流速面积法可以分为： 1 ）测量点流速的流速面积法； 2 ）测量剖面

流速的流速面积法； 3 ）测量表面流速的流速面积法。　　　水力学法分为： 1 ）堰槽法测流； 2 ）水工建筑物测流； 3 ）比降法

测流。　　　示踪剂法用于较小流量测量，国内基本不使用，但国外仍有一定范围

的应用。示踪剂法分为： 1 ）一次投入法； 2 ）恒定流量投入法。容积法是指在部分潮汛影响河流河段内，用河道槽蓄量的变化推算潮

流量的方法。

灌区量测水方法分类


管道流量监测方法管道流量计分为： 1 ）流速面积法流量计； 2 ）体积法流量计。　　还有文德利管、堰箱、涡街流量计、孔板等其它形式的流量计。电磁流量计、声学流量计、流速仪流量计等属于流速面积法测量方法。

部分水表属于体积法流量测量方法。文德利管、涡街、孔板流量计也需要测量流速，但并不直接测得流速。



水位测量方法　人工测量水位仍是必须存在的方法，观读水尺得到水位，并校核自动

测量的水位仪器。水位测针等水位计也需要人工操作。　　　自动测量水位是主要方法，各种水位计都可以长期自动测量水位。


第二部分流速面积法的流量测量技术及装备

流速面积法流量测量南京水利水文自动化研究所

　　流速面积法是通过实测断面上的流速和过水断面面积来推求流量的一种方法，此法应用最为广泛。根据测定流速的方法不同，流速面积法又分为测量断面上各点流速的流速面积法、测量表面流速的流速面积法、测量剖面流速的流速面积法、测量整个断面平均流速的流速面积法。

其中最常用的是应用转子式流速仪测量断面上多条测流垂线上多点流速，求得各垂线间部分断面平均流速，再根据部分断面面积求得部分流量，从而得到全断面流量。这种方法是目前河流渠道最准确的流量测量方法。常直接被称为流速仪面积法（简称流速仪法）。　

流速面积法


旋杯、旋桨式流速仪


EKL-3型全自动缆道测流系统装置水文缆道测流控制台（含缆道测距定位仪、缆道流速测算仪、交流变频调控装置）

水面、河底、流速综合信号源，计算机及全自动系统处理软件等选配：水文电动绞车、测流铅鱼、缆道采样器、缆道超声波测深仪、夜间照明图象监控装置等


　　流速仪面积法需要用点流速仪测量断面上较多个点流速，推算断面流速分布。使用最多的是转子式流速仪，即旋浆或旋杯式流速仪。也可以使用电磁点流速仪、多普勒点流速仪。

　测量表面流速的流速面积法有水面浮标测流法（简称浮标法）、电波流速仪法，这种方法是先测量水面流速，再推算断面流速。

测量剖面流速的流速面积法有声学时差法、声学多普勒剖面流速仪法、电磁流速仪法等。由于旋浆流速仪基本只感应其轴向流速分量，使旋浆流速仪在一定深度均速跨越断面，可以测得这一水层的平均流速。同样，如果旋浆流速仪沿垂线均速升降，可以测得垂线平均流速。　

流速面积法


　　流速面积法可以应用于大多数测流断面，也是应用最广泛的方法。流速仪面积法需要将点流速仪放入水中一定深度，这是测量的必要条件，同时要求断面比较稳定，在这二个条件基本满足时，应用点流速的流量测量可以达到规范要求。如果因流速太大等原因，点流速仪不能放入水中，只能应用浮标、电波流速仪方法测量水面流速，流量测量准确性会有较大的降低。应用声学时差法测流和声学多普勒剖面流速仪测流都具有自动化的功能，测量迅速，具有较好的准确性。但对使用环境有一定要求，在大流速、高含沙量，河床不稳定时有应用上的困难，其流量测量准确性、稳定性比不上流速仪面积法。各种管道流量计也应用流速面积法流量测量原理。　

流速面积法


　水深测量使用测深杆测量水深是最简便实用的方法，也是最准确的测量

方法。水深测量是流量测量的一个组成要素，水深误差直接影响流量测量准确性，流量测验规范要求用测深杆测深时，对测深杆尺寸标志误差应控制在 1% 以内。在实际测深时，应连续测二次，相差不超过 2% 时，取其均值作为水深。

应用测绳测深必须系上测深锤或测深铅鱼等重物，才能沉入水底并可以拉直测绳测得水深，分别称为测深锤测深和铅鱼测深。

回声测深仪仪器类型包括手持式超声波测深仪、船用超声波测深仪、缆道超声波测深仪，更先进的有多波束超声波测深系统、旁侧声纳等，可以测量水下地形。　

断面测量


　断面起点距测量断面起点距的测量方法主要有：（ 1 ）固定标志法、（ 2 ）绳

长计数器测距法（ 3 ）仪器交会法。当具有水文测桥、过河索、可用于桥测的桥梁时，在其上用固定标志标出起点距，测流时由测流处标志得到起点距。缆道测流时基本都应用绳长计数器测距方法。测量仪器交会法主要用于测船的定位测量，全站仪、经纬仪、平板仪在岸上测量交会，六分仪用于在测船上测定测船位置。测量仪器交会法可以测得很准确，所以也用来校核绳长计数器的测值。　

断面测量


在断面上测得多条垂线上多个深度处的点流速，再计算部分断面平均流速，和全断面平均流速。这种方法应用时间很长，施测要求和计算方法都很成熟，能得到最准确的流量数据。基本上都使用转子式流速仪，理论上可以使用声学多普勒点流速仪和电磁点流速仪。

不能使用转子式流速仪下水测速时，只能依靠浮标和电波流速仪测量水面流速。测得水面流速后可以根据浮标流速系数计算垂线平均流速，从而推算断面平均流速。　

断面平均流速测量


　应用声学流速测量仪器和电磁流速仪可以测量剖面流速。声学

时差法流速流量测量系统可以测得横垮断面的一层或几层水层的平均流速流向，同时使用转子式流速仪实测流速，建立水层平均流速和实测断面平均流速的关系。在实际应用时，可以从 ADCP 实测剖面流速分布得到断面平均流速或多个部分断面平均流速。电磁剖面流速仪可以直接测得渠道和较小河流的断面平均流速。　

断面平均流速测量


转子式流速仪应用最广泛的点流速测量仪器是转子式流速仪，近年来电磁点

流速仪和声学多普勒点流速仪有极少量应用。实验室中应用的毕托管和小旋桨流速仪也测量点流速，小旋桨流速仪可以用于渠道测流。

转子转速 n 与水流速度 v 之间的经验公式（按现标准规定，此公式改为 v = a + bn ）：

v = Kn + C 转子式流速仪可以应用于高、中、低流速，可以用于较高含沙

量的水流 , 可以用各种方法安装。它可以用简单的人工计数方法测速，也可以用流速仪计数器自动测记流速。

点流速测量仪器


电磁点流速仪电磁流速仪也是一种可以长期工作的自动流速仪。电磁流速仪基于法拉第电磁感应定律工作，可用来测量多种导

电液体的流速。天然水在不同程度上导电，可以用此原理测速。电磁流速仪可以分为测量点流速和断面平均流速的两类。



电磁点流速仪除了长期测速和野外小河渠道的巡回测速外，电磁流速仪并没

有明显优于转子式流速仪。测量点流速的电磁流速仪需要用流速仪检定水槽定期进行室内检定，现场使用中要常和标准转子式流速仪进行比测检查。



声学多普勒点流速仪声学多普勒流速仪应用多普勒频移原理测速。由于振源和观察者之间的相对运动而产生的接收信号相对于振源频率的频移现象被称为多普勒频移 fD 。测出此频移就能测出物体的运动速度。在测量时，由测量仪器发出辐射波，再接收被测物体的反射波，测出频移，算出速度。在实际使用时，往往将水中的悬浮物或小气泡作为反射体，测得其运动速度，也就认为测得了流速。



声学多普勒点流速仪声学多普勒点流速仪可以应用于各种流速测量，但不能用于完全清水的低流速测量，而且声学多普勒点流速仪基本只能用测杆安装使用。声学多普勒点流速仪测速快，测速准确度好，可以长期自动测量点流速，可以用于河流、湖泊、海洋中的流速自动测量，点流速仪体积很小，适用于浅水低流速测量。



声学时差法流量计、声学多普勒剖面流速仪、电磁剖面流速仪是主要应用的剖面流速测量仪器，测得剖面流速和断面面积后，计算得到断面流量。

声学时差法测速系统加上水位自动测量设施组成声学时差法流量计。

剖面流速测量技术


根据该水层平均流速推求整个断面平均流速。在测速的同时测量水位，计算过水断面面积 A 。

声学时差法流量计的一个声道只能测得一层水层的平均流速。如果水深不大，用一水层的平均流速可以很好地推算出断面平均流速。如果水深较大或流态较复杂，用一个水层流速推求断面平均流速的不确定性较差时，就要采用多层声道工作方式，在不同水深布设 2层 ( 或更多 ) 测速声道，测得多层水层平均流速，以此推求断面平均流速，或用来计算部分水层流量。多层声道工作方式用于水位变化较大、水深较深、流态复杂、流量测量要求高的断面。




（ a ）单声道工作方式；（ b ）交叉声道工作方式；（ c ）响应工作方式；（ d ）多层声道工作方式；（ e ）反射工作方式；（ f ）双声程工作方式。

声学时差法流量计的工作方式示意图


时差法可以测得较低流速，并能在很浅的水中工作而不受河流水面河底影响。而 HADCP 对断面的宽深比有明确要求。时差法的测速水层可宽达千米以上，且不受流速和含沙量影响。 HADCP常常只能测得数十米内的流速。这都有利于时差法的测速应用于更大范围。但 HADCP 能测得流速的剖面分布信息，而时差法只能测得整个声层上的平均流速。



走航式声学多普勒剖面流速仪测量剖面流速分布的声学剖面流速仪常被称为 ADCP （ Acoustic Do

ppler Current Prolile ），也有称为 ADP 的。使用时此仪器可以安装在船上，横跨河流测得整个断面的流速分布，称为走航式；也可固定安装在一岸，称为水平式（ HADCP ）或侧视式（ Side Looking ）；在条件合适的地点可以安装在河底，称为座底式。也可能安装在基本固定的水面浮体上，向下测量某一垂线的流速分布。　



垂向 ADCP 测流　剖面流速测量技术


ADCP 流量测量与航迹无关　

nVb

Vf

0/

航迹


走航式声学多普勒剖面流速仪走航式 ADCP横跨断面后可以测得流量，它具有测深、测速、定位的

功能。传感器配备有四个（或三个）声学换能器，换能器与 ADCP轴线成一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器。



固定式声学多普勒剖面流速仪固定式声学多普勒剖面流速仪的测速原理和走航式相同，都应用声学

多普勒原理测量一个水层或一条垂线上的流速分布。固定式 ADCP 是固定安装在河岸、水底、水面浮体上的，也就只能测量正对仪器的一个水层、垂线的流速分布。固定式 ADCP 一般具有自动测量水位的功能，但不需要具备自动测量仪器方位、倾斜、河底跟踪等走航式 ADCP 所需的功能。水平（侧视） ADCP （ HADCP ）安装在河岸边水下，测量此水层离岸一定距离内的流速分布。座底式 ADCP固定在河底，向上发射声波测量这条垂线上的流速分布。　声学多普勒流量计（ ADFM ）


固定式声学多普勒剖面流速仪固定式 ADCP 包括水平（侧视） ADCP （ HADCP ）、座底式 ADCP ，水

面式 ADCP ，都用于水层或垂线的流速测量，使用最多的固定式 ADCP 是 HADCP 。声学多普勒流量计（ ADFM ）没有固定的流量计算模型，必须在现场和较准确的流量测量方法进行比测后才能确定它在此断面上应用时的流量计算模型。固定式用于固定安装，可以长期自动测量流速流量。 HADCP和 ADFM都能固定安装在水中，长期自动工作，测得流速、水位从而测得流量，是一类较简单的声学流量计。安装在水中的仪器体积不大，不会影响水流。适用于中小河流和渠道的流量自动测量。仪器技术先进，自动化程度很高，功能很强，是一种较好的流量计。



电磁剖面流速仪测速原理和电磁点流速仪相同，应用电磁感应原理测速，但测量的是整个过水断面上的平均流速。在较小河流的河底或河岸上布设一大型线圈，通电产生横过水流的磁场。当河水流过线圈，就是运动着的导体切割与之垂直的磁力线，便产生电动势，其值与水流速度成正比。只要测得安装在两岸两电极的电位差，就可求得断面平均流速，再根据断面面积计算出断面流量。该法可测得瞬时流量。电磁剖面流速仪适合用于小河、渠道和特殊场合的流量自动测量，很适合能较好管理的渠道流量自动测量。

测量河流断面平均流速的电磁流速测量系统在现场安装好后，必须用转子式流速仪在现场同步测量断面平均流速，进行比测检定。电磁剖面流速仪测量瞬时全断面流速，无可动部件，可以长期自动工作。电磁剖面流速仪直接测得全断面平均流速，可以得到更准确的流量。　



电波流速仪测速电波流速仪是利用雷达多普勒效应测量水面点流速的非接触式流速仪。

电波流速仪测速范围： 0.515m/s 。电波流速仪使用电磁波，频率可高达10GHZ ，属微波波段，在空气中传播时衷减很小，可以很好地在空气中传播。因此，使用电波流速仪测量流速时，仪器不必接触水体，即可测得水面流速，属非接触式测量。测速时，仪器架在岸上或桥上，工作时电波流速仪发射的微波斜向射到需要测速的水面上。由于采用无接触远距离实现流速测量，不接触水体，不受含沙量、水草等影响，特别适合于高流速测验、桥上测流。加上整套仪器体积小、功耗低，还非常适合于随小型车船进行巡测等野外作业。电波流速仪测得的是水流表面流速，可以取代浮标测流。但不能取代常规的流速仪测流。

（ 1 ）人工测速（ 2 ）自动测速　

水面流速测量技术


雷达枪（电波流速仪）美国 ACI公司的斯德克（ Stalker）电波流速仪具有流速平均、回波强度指示、

角度改正和秒表计时功能，专门用于水面流速测量。可手持使用，也可固定在三脚架上。双排 LCD显示器同时显示平均流速和测量历时。

技术指标：1、测速范围： 0.1～ 9.9米 / 秒，测速精度： ±0.1米 / 秒；2、计时范围： 0～ 99.9 秒，计时精度为 0.1 秒；3、波束宽度： 12° ；4、工作温度：－ 30～＋ 70℃ ，采用全防水设计，可短时间浸入水中；5、显示方式：双排 LCD同时显示瞬间流速、平均流速、测量历时和回波强度6、微波功率为 10～ 50毫瓦，采用可拆卸式电池手柄供电，锂电池 2安时，正常工作 8小时。


非接触雷达测流（量）系统传统的方法是建立在通过机械或声波测量水位，定期期测量流量建立起来“水位

流量”（ stage-discharge rating ）关系的基础上。复杂水文条件下可能导致水位流量率不稳定，从而导致传统方式在这种情况下是不切时实际的甚至不可能实现。这些复杂条件包括逆流，回流效应和滞后效应。美国STALKER 公司 SVR 雷达测流(速）系统及奥地利 SOMMER 公司 RQ-30D雷达测流 (量）系统。


美国 STALKER 公司 SVR 雷达测流 ( 速）系统


SOMMER公司 RQ-30D雷达测流 ( 量）系统RQ-30D雷达传感器可以在传统测流量方法无

法使用的站点测量水位与流速，并推算出流量。而且，它允许直接从传感器出计算出流量。两种非接触雷达测量技术被整合在一个系统中。测流速是建立在多普勒频移原理的基础上的，水位是通过雷达脉冲的传播时间测得的。两者在仪器内综合分析计算出流量值，测得值通过串口或者 4-20mA 输出。这种输出方式可以简便的输入到其他数据采集系统。 RQ-30安装简便，非接触雷达技术保证了系统可以多年免维护。


RQ30测流系统工作原理


RQ30 雷达测流 ( 量）系统


比测断面为面宽 58 米高 8 米的矩形标准渠道，水深平均 7-9 厘米，流速平均 0.2m/s-0.35m/s 。经过现场比测，奥地利 SOMMER 公司 RQ30D 表现出极高的低流数据稳定性与重复性，与标准断面水位流量关系偏差始终保持同步线性关系，绝对偏差在 2% 内，特别在 0.15m/s - 0.2m/s 的边界水流情况下，流速、流量数据稳定。美国 STALKER 系统与标准断面水位流量关系偏差始终不能保持同步线性关系，偏差高达 200% ，且无数据重复性、稳定性，在 0.35m/s 的流速条件下无法施测。有关结论还需进行长期比测。

比测试验 2013年 9月 6日 -18日，奥地利 SOMMER 公司RQ30D 与美国 STALKER 公司SVR 的两种多探头非接触式雷达测流系统进行了北京大红门同断面小流量比测。

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浮标测速浮标可分为水面浮标、深水浮标、浮杆、浅水低速浮标等。

水面流速测量技术


应用转子式流速仪测量点流速、并用平均分割法计算流量的方法被认为是河流流量测量中最准确的流速面积法。

作为流量测量标准的流速（仪）面积法，流量测量准确度取决于过水断面积和流速的测量准确度。过水断面积测量准确度主要取决于水深测量，而水面宽度和水面某一测深垂线离岸距离的测量较易控制。水深测量误差被要求控制在 3~5% 以内，流速仪本身的测速误差可能达到 1.5% ，综合这些因素，流速测量误差只能控制在2.5%左右，作为标准的流速（仪）面积法，也只能保证流量测量准确度在 5%左右。

流速面积法流量测量准确性


大部分天然河流和渠道使用测量点流速的流速仪面积法测量流量。少数主要测站使用走航式 ADCP ，也有一些测站使用 HADCP自动测量流量，很少使用 ADFM 测量流量。水文监测还没有使用明渠用的电磁流量计。浮标法测流主要用于山区洪水流量测量，浅水小浮标开始用于枯水期水资源水量测量。电波流速仪用于巡测、桥测和洪水期。上述方法都有相应水文测验规范，应用中能达到规范要求。

从灌区水量监测要求看，这些方法的流量测量不确定度难以超过 5% ，转子式流速仪是最主要的点流速测量仪器，几乎所有点流速测量都应用旋桨或旋杯流速仪，其中大部分使用旋桨式流速仪。应用的 ADCP 都是进口产品，水文部门只使用了美国 RDI 公司和美国 Sontek 公司产品。

流速面积法流量测量应用

第三部分水位流量关系的流量测量技术及装备

水位流量关系的流量测量技术南京水利水文自动化研究所

在某些场合，水流流量和水位具有比较稳定的关系，可以只测量上游水位（水头），或同时测量上、下游水位，然后根据水位（水头）数据，应用已确定的水位～流量关系推算流量。堰槽法测流和水工建筑物测流是典型的应用水位流量关系的测流方法。堰槽法测流时，一般只需测量上游水位，得到堰上水头，即可计算流量。如果呈“淹没”状态，需要同时测量上、下游水位，再推算流量。

水工建筑物主要指闸、涵洞、水电站、泵站等水工建筑，也可以包括堰。这些水工建筑物的过水形状确定，水位流量关系确定，同样可以测得上游水位（水头）或上、下游水位，再根据已确定的水位流量关系推算流量。

水位流量关系方法


堰槽法测流时必须构建测流堰槽，水工建筑物测流都利用河流、渠道中的已有水工建筑物。在具有跌水的水流中，可以使用末端深度法测量流量，测量跌水处的水头和断面，可以用水力学公式推算流量。比降面积法测流也应用水位流量关系测流，需要测得符合此方法要求的较长河段的上、下游水位，计算比降，再根据水位推算断面面积，用水力学公式推算流量。

堰槽法测流常用于可以安装堰槽，流量不大，需要较准确的流量测量场合，尤其适用于需要自动监测的场合。水工建筑物测流只能用于已有水工建筑物的场合，设计建造水工建筑物时，一般都会考虑到用水位（水头）流量关系测量流量的要求。建造后安装相应水位仪器就可以进行流量测量。

水位流量关系方法


应用水位流量关系测量流量，主要的是测量水位。水位是指水体的自由水面高出基面以上的高程。其单位为米。河流或者其它水体的自由水面离某一基面零点以上的高程称为水位。水位的单位是米，一般要求记至小数 2位，即 0.01m。以水位为纵轴，时间为横轴，可绘出水位随时间的变化曲线，称为水位过程线。水尺是直接观读江河、湖泊、水库、灌渠水位的标尺，目前仍在广泛使用。

水位测量仪器


常用的水位测量仪器有水位测针、浮子式水位计、压力式水位计、雷达水位计、超声波水位计、电子水尺，也可以通过人工观读水尺测量水位。　

对不适合自动遥测的自记水位观测井应进行更新改造。对建有水位观测井的测站配备浮子式水位计，对不宜建井的测站，可视水情特点配备雷达式、压力式（压阻式、电容式、气泡式）、声波式（分气介式和液介式）自记水位计、激光水位计及电子水尺（含磁滞伸缩型）。它们都可用带固态存贮器的遥测数传终端（ RTU ）采集、记录雨量、水位数据，并通过与无线或有线信道相连，构成水位自动监测站。　

水位测量仪器


水位测量仪器水位测针水位测针应用接触式水位测量原理测量水位，

仪器使用一测针针尖跟踪接触水面，当触点刚好接触水面时，在所附的标尺上即读出水位。该触点可以是一根直针式针尖、也可能是钩式针尖。跟踪水位的方法一般是人工操作，也可以是自动跟踪。

水位测针主要应用于室内实验室，可以用于室外水位测量准确的要求高、量程小的场合。可以用于堰槽流量计的水位高精度测量。水位测针具有安装基座。需要安装在水平安装平台上，可以读到分辨力 0.2mm 或 0.1mm 的水位值。


水位测量仪器浮子式水位计浮子式水位计用浮子感应水位，浮子漂浮在水位井内，随水位升降而升降。浮子上的悬索绕过水位轮悬挂一平衡锤，由平衡锤自动控制悬索的位移和张紧。悬索在水位升降时带动水位轮旋转，从而将水位的升降转换为水位轮的旋转，使得直线位移量准确地转换为相应的数字量。浮子式水位计可以用于能建水位井的所有水位观测点，并必须安装在水位井内。《水位测量仪器第 1 部分 : 浮子式水位计》 GB/T 11828.1-2002 。


浮子式水位计（ 1 ）全量机械编码器水位传感器及小全量光学轴角编码器水位传感器（ 2 ）磁致伸缩浮子式水位变送器浮子式适合于泥沙淤积小、测井内不结冰、无干扰的环境。


水位测量仪器压力式水位计通过测量水下某一固定点处的静水压强，再根据水体容重，得到该固定点水深，由此固定点高程从而得到当时的水位。压力传感器有投入式压力水位计（压阻型、振弦型、陶瓷电容压力传感器）及气泡式压力水位计两大类。投入式压力水位计的压力传感器直接在水下测量点测量水压力，气泡式压力水位计的压力传感器安装在岸上仪器中，水下测量点的水压力用气管导引上来，在岸上仪器中测量。压力式适合于含沙量大、不宜建测井或观测建筑物的环境，应注意泥沙影响精度，压阻式有时飘、温飘 n 并需要定时率定。《水位测量仪器第 2 部分：压力式水位计》 GB/T 11828.2-2005 。


压阻式压力水位传感器安装在水底的探头中的压敏元件作为水位传感组件；当水位变化时，压力输出对应水位作相应的变化；压力信号经过放大、 A/D转换、非线性补偿、温度系数补偿处理后，可以被还原成精确的水位值。如： PTX18301830 系列高精度投入式液位传感器，系列高精度投入式液位传感器，精度为 ±0.1% FS标准，量程则在 0 ～ 0.75mH2O至 0 ～ 600mH2O 之间任意可选。


振弦压力式水位传感器振弦压力式量水堰计（精密水位计）用于量水堰堰上水头及其它需要对很小的水位变化进行精确测量的场合。该装置最低可以监测小到 0.025mm 的水位变化，最大量程可达 3米。采用振弦式原理制造的精密量水堰计，其各种性能非常优异，其主要部件均用不锈钢制造，适合各种恶劣环境使用。


陶瓷电容式绝压压力水位计陶瓷电容传感器具有长期稳定性好的特点，长期使用无漂移。同时经过高密度的压力校正，即使是微小的水位变化也可以测量并记录。仪器内置4M 内存，可同时存储水位、水温、电池电压、通讯电压和通讯信号质量数据多达 50万个，电池可采用锂电池、碱性电池或外置蓄电池供电，锂电池使用寿命 10年以上。


地下水自动监测仪地下水位监测仪器采用干式陶瓷电容传感器测量水下的压力，同时通过导气管连通外界大气自动测量外界气压，传感器直接测量水压与气压的差值换算成真实的水柱高度，再通过数采仪计算为实际水位高程或埋深。同时为保证气管不受外界温湿度干扰，在气管末端专门设计装有特氟龙分子筛，阻隔外界水分子进入气管，保证气压补偿的性能。《地下水位计》 SL/T 198-1997。《地下水监测规范》 SL 183-2005及《地下水监测站建设技术规范》 SL 360-2006。


气泡式压力水位计气泡式水位计是压力平衡原理的一种应用。首先，环境压力被记录为零值；然后，气泵或气筒吹气将测量气管中的水排空；气管中的压力经过 A/D转换和温度补偿处理后变成数字信号输出。


压力式水位计安装示意图


水位测量仪器非接触式水位计（气介式）非接触式水位计（气介式）主要有雷达水位计、超声波水位计、声波

水位计、激光水位计四种，超声波式容易受外界因素的干扰，因此，必要时需加装补偿和校正装置。

《超声波水位计》 SL/T 184-1997 及《水位计通用技术条件》 SL/T 243-1999 。

雷达水位计


雷达水位传感器传感器发出 26GHz 的短微波脉冲，然后接收从水面反射回来的信号，并将信号转化为传感器到水面的距离，再用传感器安装高程减去这个距离即得到水位。


超声波水位传感器

当超声波在空气中传播遇到水面后被反射，仪器测得声波往返于传感器到水面之间的时间，根据已知的声波传播速度，经计算得到传感器到水面的距离，再用传感器安装高程减去这个距离即得到水位。水面漂浮物会影响测验精度，同时超声波水位计有温飘，需定时率定。


超声波水位计受温度影响，测量精度有限，量程一般小于 5米。


声波水位传感器在我国近年来出现的新产品，有待应用现场进一步比对及验证其精度和可靠性。


激光水位传感器激光水位计是新一代的测距设备，功能强大、坚固耐用，是专为工业测量而设计的一种当前最为先进的经济型在线位置检测系统，测量精度和稳定性极高。由于是通过发射激光束至目标物体，利用反射光束精确计算距离，对目标物体的尺寸面积比超声波要求的面积小得多，使得对远距离的小尺寸物体位置的非接触式检测成为可能。

主要技术指标 : 水位测量精度 : ３ mm(30米量程 ),５ mm(100米量程）

测程： 0-100 m 设备工作环境： -10°C - 50°C 单次或连续测量反应时间： 5 秒（ 5 ～ 300秒可调）

供电：间隙式，直流 250mA, 9-30 V 。

瑞士 Leica


水位测量仪器电子水尺在电子水尺尺体上等距离设置的导电触点，一定水位淹到某一触点位置，相应的电路扫描到接触水的最高触点位置，就可判读出水位。电子水尺的主要形式是触点式、电容式、电感式电子水尺，水位计产品标准将磁致伸缩线性位移（液位）传感器也归为电子水尺。

　　　电子水尺可分段安装，每根水尺的水位准确度能保证小于其分辨力。使用多根水尺时，每根水尺都有各自的零点高程，不会产生任何累计误差。但电子水尺会有水位感应和波浪造成的误差。

电子编码水尺不受水质、含沙量以及水的流态影响，应该适用于大量程水位测量和复杂水流处。


水位测量仪器磁致伸缩液位计磁致伸缩线性位移 (液位 ) 传感器由测杆、电子仓和套

在测杆上的非接触的磁环（环状浮球）组成。环状浮球沿着测杆随水面升降，由电子仓内电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环状浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的环状浮球位移和液位。


末级渠系量测水装置GPRS/GSM网络

水情监测数据灌区水情数据库

水情监测数据采集子系统

中心监测应用子系统

水情监测信息管理子系统

水情监测设备遥控管理子系统

灌区综合信息管理系统

青铜峡渠首灌区水情监测应用系统结构图

磁致

伸缩

一体

机

低功耗一体式无线智能明渠低功耗一体式无线智能明渠磁致伸缩水位流量计磁致伸缩水位流量计


磁致伸缩液位计特点磁致伸缩液位计适合于高精度要求的清洁液位的液位测量，精度达到 1mm ，最新产品精度已经可以达到0.1mm 。磁致伸缩液位计还可应用于两种不同液体之间的界位测量量。防爆型设计，适合危险场合，智能电子线路设计可计算出容积量；唯一可动部件为浮子，维护量极低。不同于超声波等测量设备，几乎不受外界环境变化而使测量值产生影响。


水位测量仪器人工观读水尺水尺是水位直接观测设备中最基本的一种。水位测针、悬锤式水位计、洪峰水尺也被列入水位直接观测设备。用水尺观读水位是最基本的水位观测方法，也被认为是最准确的水位观测方法，任何水位测量仪器都以水尺人工观测的水位作为基准。水尺分为直立式水尺、斜坡式水尺、矮桩式水尺三类。水尺要设置在岸边容易到达的地方，以便以最可能近的距离读取水位；水尺必须尽量安装在受风浪影响较小的地点。


灌区水量计量水位计选择灌区水量计量在不同场合测量水位，应考虑按需要选择不同水位测量设施：（ 1 ）堰槽法测流时，水位变幅小，但需要测得较高分辨力、准确度的

水位值，主要选择水位测针、气介式超声水位计、浮子式编码水位计测量水位。

（ 2 ）应用闸、涵洞、电站、泵站等水工建筑物测流时，需要在河道、水库、蓄水池中测量水位，一般具有建造水位井的可能，常主要采用浮子式水位计。水位变幅不大时可以采用电子水尺和不需测井的各类水位计。

（ 3 ）渠道中水位测量条件较好，各种水位测量设施都可以应用，主要使用的还是浮子式水位计，也可应用气介式超声波水位计和雷达水位计。

（ 4 ）地下水水位测量主要应用悬锤式水位计、浮子式水位计、投入式压力水位计。


水位仪器标准要求我国将水位测量仪器分为浮子式水位计、压力式水位计、地下水位计、

超声波水位计、电子水尺、遥测水位计、水位测针七类，分别有产品标准规定了对这类仪器的技术要求，水位测量准确度要求是标准的主要要求。另外在《水位测量仪器通用技术条件》和 GB/T15966-2007 《水文仪器基本参数及通用技术条件》中也提出了水位测量准确性要求。

GB/T11828.1-2002 《浮子式水位计》， GB/T11828.2-2005 《压力式水位计》， GB/T11826.4-2011 《超声波水位计》， GB/T11826.5-2011《电子水尺》， GB/T11826.6-2008 《遥测水位计》， SL/T147-1995 《水位测针》等。


堰槽法测流常用堰槽流量测验中常用的主要形式有：矩形薄壁堰、三角形薄壁堰、矩形宽顶堰、 V形宽顶圆堰、圆缘宽顶堰、梯形宽顶堰等。堰槽法测流有多种方式，其构造和测流方法已有有关规范作了明确规定，它们的应用场合和流量测量性能也不相同。按过水缺口形状不同，薄壁堰分为三角形薄壁堰、梯形薄壁堰、矩形薄壁堰，三角形薄壁堰适用于小流量测量。


堰槽法测流堰上水位测量采用堰项高程测量及堰上水位人工测量来测得。堰项高程

测量有： 1 ）水面平衡方法。 2 ）水准测量方法。 3 ）直接测量方法。堰上水位人工测量方法采用： 1 ）水尺测量。 2 ）水位测针测量。


堰槽法测流如果下游水位高于堰顶，形成淹没出流，要测量下游水位，计算淹没系

数，流量测量误差也会增大。宽顶堰的流量测验准确性比薄壁堰差一些，但可以用于较大流量，适用范围较广，可以工作在“淹没”状态，可以用于一般河道。常用的宽顶堰是矩形宽顶堰、 V形宽顶圆堰、圆缘宽顶堰、梯形宽顶堰。

工作于自由流状态的薄壁堰要求较大的水位落差，测量的流量也较小。如果水位落差不大，流量也较大，适合用测流槽来测量流量。不论是何种堰都要在水流内修一挡水建筑，不可避免地会出现堰上淤积和存在较大的水头损失，这使实际使用受到很大限制。槽法测流可以在相当程度上避免上述缺点。


巴歇尔槽（ Parshall Flume ）测流典型的测流槽是巴歇尔槽，另外一些

类型，如孙奈利槽、长喉道槽等，也较实用，但都不如巴歇尔槽适用于灌区水量计量。在自由流状态，只要测得一处水头 h ，也就是从槽底开始的水位计算流量。巴歇尔槽的测流范围为 0.002m3/s~3m3/s ，或更大一些。此测流槽多数用于排污渠道、中小型供水渠道及地下水出流流量测量。其流量测量精度可以达到 ±5% 的要求。


堰槽测流的水位（水头）测量要求（ 1 ）水头测量应在各类标准堰所规定的断面位置上进行。上下游水头观

测，宜设置在堰槽的同一岸。　　　（ 2 ）水头测量应尽可能采用自记设备，采用浮子式自记水位计时除执行国家标准 GB/T50138-2010 的有关规定外，还应符合下列要求：

　　　 1 ）连通管的进水口应与行近河槽正交平接，管口下边缘与槽底齐平。连通管宜水平埋设，接头处要严防渗漏，管的内壁应光滑平整，并做防护处理；

　　　 2 ）连通管的进水口，一般应设适合的多孔管帽，以减弱水流扰动和防止泥沙输入，但又要避免由此产生水流滞后现象；

　　　 3 ）静水井口缘应超出最大设计水头 0.3m ，井底应低于进水管下边缘 0.3m；

　　　 4 ）井口大小应与观测仪器和清淤要求相适应。浮筒和平衡锤与井壁的距离不应小于 75mm ，二者也应保持适当的间隔。　　　


堰槽测流的水位（水头）测量要求（ 3 ）应在堰附近的适当位置设立基本水准点，用来测定水头零点的高程。

水准点高程应从国家统一的水准基面接测，不具备条件时可采用假定基面。　　　（ 4 ）水头零点高程必须精确测定。控制断面为三角形的顶点高程、水平堰顶高程要采用不同方法在不同部位进行多次测量，再取其平均值确定。为避免表面张力和水面起伏度的影响，任何堰均不得用静止水面间接推求水头零点高程。

　　　（ 5 ）自记设备应随时保持正常运行。更换自记纸或读取存储数据时，应同时与校核水尺进行校测，记录水位与水尺水位的校核水位差不应大于 10mm 。因测井内外水体密度差引起的水位差超过 10mm 时，应进行滞后改正。上下游水头观测的自记钟应严格对准，不应有计时差。

（ 6 ）在检查自记记录或人工观测水头的同时，必须注意测记水流流态，有无横比降、回流、漩涡、河槽冲淤及泥沙和漂浮物等情况。


测流堰槽的选用国内国际标准都列出了各种测流堰槽的应用场合和流量测量范围。　　　（ 1 ）薄壁堰是基于溢流水舌下充分发展的收缩水流，用于精度要求高的情况，特别适合在实验室工作和人工河道上的测流作业。矩形和 V形薄壁堰最适合临时性的装置上。三角形薄壁堰特别适用于高、低水流量比例较大和对低流量精度要求较高的情况。

（ 2 ）宽顶堰最好用于对堰顶藻类和上游淤积能定期清除维护的矩形河槽上。圆缘宽顶堰最适合用于中小型测流设备上，矩形宽顶堰适用于实验室和野外条件，V形宽顶堰特别适合于流量变幅较大落差很小的河道水流测量。

（ 3 ）三角形剖面堰特别适用于希望水头损失最小而精度要求较高的天然河道的水流测量。

（ 4 ）流线型三角形剖面堰、平坦 V形堰、复合型测流建筑物、梯形剖面堰、末端深度法、测流槽（矩形测流槽、梯形测流槽、 U形喉道测流槽、巴歇尔和孙奈利测流槽）等等。巴歇尔和孙奈利测流槽设计要能够在自由流和淹没流条件下运行，可用于水流稳定或缓慢变化的明渠和灌渠上。


水工建筑物测流测流水工建筑物类型和测流原理明渠水流上的堰、闸门、涵洞可用于水工建筑测流，水电站和泵站也可

用作水工建筑物测流。堰、闸门、涵洞的形状稳定，水流遵循一定水力学原理流过过水断面和水道。水工建筑物上下水位有一定落差，在一些场合形成自由流，水位流量关系比较稳定，测得上游水位（水头）可以根据水位—流量关系推算流量。在一些场合可能是“淹没流”状态，如果“淹没”程度在一定范围内，测量水工建筑物上、下游水位（水头）差，也可以从“淹没流”状态时的水位（水头）差—流量关系推算流量。只是淹没流时，推算流量比较复杂，流量测量准确度也要差一些。通过水电站水轮机的水流，将其能量转换成发电机的输出功率，根据坝上、下水头差、发电机输出功率、水力发电机效率系数，可以推算出发电机的过水流量。测流时测得发电水头（上、下游水位）、发电功率，按照发电效率系数由已率定的发电机单机流量计算公式计算发电机单机流量。单机流量相加，得到多台发电机工作流量。


水工建筑物测流水力学、水文条件要求　　　 1 ）水工建筑物对水流产生垂直或平面的约束控制作用，形成

水面明显的局部降落，产生一定的水头差。遇有淹没出流时，建筑物上下游的水头差一般不应小于 0.05m 。

　　　 2 ）水工建筑物的上下游进出口和底部均不能有明显冲淤变化和障碍阻塞。

　　　 3 ）位于河渠上的堰闸进水段，应有造成缓流条件的顺直河槽。河槽的顺直段长度不宜小于过水断面总宽的 3倍。有淹没出流的堰闸，下游顺直河段长度不宜小于过水断面总宽的 2倍。

另外，堰闸、涵洞、水电站及泵站水位测量断面布设和测流断面布设应严格按照水力学、水文条件要求加以考虑。


水工建筑物测流流量系数的确定　　　确定流量系数可采用现场率定、模型实验、同类综合和经验系

数等方法，并应符合下列要求：　　　 1 ）采用水工建筑物测流的测站，现场率定时，应用流速面积

法按高、中、低水对流量系数进行率定。　　　 2 ）已采用水工建筑物测流的测站，应定期（ 3年～ 5年）进

行流量系数检验。　　　 3 ）无法进行现场率定流量系数的测站，可采用模型试验、同

类综合和经验系数等方法确定流量系数。　　　 4 ）采用模型试验、同类综合和经验系数等方法确定流量系数

可作为超标洪水、洪水调查等特殊情况下的流量测验，不宜作为常规流量测验方法。


水工建筑物测流的准确性评估　　　水工建筑物流量测验的误差来源有建筑物尺寸的测量误差，闸

门开启高度观测误差，水位（包括水头、水头差、扬程）观测误差，流量系数误差，水电站和泵站还有电功率查读误差，效率误差等。

　　　建筑物尺寸测量误差应包括过水断面宽度、洞管直径、堰高等项的测量误差。闸门开启高度观测误差，应包括开高读数误差、闸底零点高程测量误差；弧形闸门开启弧线换算为垂直开高的误差。流量系数的影响因素较多，误差来源复杂。

在上述多项影响因素作用下，难以确定水工建筑物测流的流量测量综合不确定度范围。国际标准也只列出了垂直平板闸门和弧形闸门的流量测量不确定度的范围是 4%～ 8% 。


比降面积法测流比降面积法是依据水文测验河段实测的水位、断面面积、选用河床糙率等资料，用水力学公式计算河道瞬时流量的一种方法。测流时不需要用仪器下水测量。

比降面积法测流一般只用于洪水测量，其测量准确性较差。不宜用于水资源及灌区水量计量。


其它明渠流量测量方法流速仪流量计如果将中小渠道（河流）的过水断面经过人工改建而成为一量水涵洞，

并保证在渠道水位变化时，此量水涵洞始终保证在“满管”水流状态。那么，过水断面积就恒定为此量水涵洞截面积，只要测出量水涵洞内的平均流速，就能计算出流量。浑水流量计的流量测量不确定性可控制在 3~5% 。

上游最高水位下游最高水位


管道流量测量技术　　　管道流分为满管流和非满管流二种状态，二者的流量测量技术

有较大差别。满管流量测量仪器应用流速—面积法、体积法以及其它方法测量管道中的流量。

满管流量测量技术1 ）适用于流速面积法的灌区水量计量的产品类型有电磁管道流量计、声学时差法管道流量计、声学多普勒管道流量计、流速流量计、冷水水量和电子远传水表、涡街流量计等。

2 ）适用于体积法测量的管道流量常选用容积式冷水水表。


其它明渠流量测量方法可使用的其它仪器、方法可以用于渠道中测量流量的仪器还有孔板流量计、翻板流量计、叶轮流

量计等仪器。孔板流量计应用薄壁孔口的自由出流，测量上游水位（水头），根据计算公式和孔口面积计算流量，这种方法用于工业流量计，也可用于小渠道流量测量。翻板流量计利用水流冲力冲击翻板，使翻板倾斜，测量翻板被水流冲斜的角度，以及翻板过水断面面积，估算流量。叶轮流量计主体是一大旋转叶轮，下部叶片被渠内水流冲击，使叶轮转动，可从叶轮转速转换成水流流速，测得流量。

容积法测量流量方法则是在已知时段的两个不同时刻，分别测出渠道某河段上下两个断面的水位和过水面积，进而可以计算出时段内该河段的蓄水变量或泄水量，用蓄水变量或泄水量除以已知时段即为时段平均流量。


管道流量测量技术非满管流量测量技术较大输水管道，可能处于非满管流状态，涵洞中也常出现非满管流状态。非满管流就是一条小渠道，但过水断面有规律，上部有管道壁。测量流量应用流速面积法，应用水位仪器测得水位（水深），推求过水断面面积 F；应用流速测量仪器测得水流流速剖面分布，推求水流平均流速；用 Q=F- V计算流量。应用的仪器都安装在水底，且都能自动测量水位（水深）和流速。

电磁管道流量计电磁管道流量计是一种成熟的工业用管道流量计。管道中的水流可以视

为一导电体，水在管中流动，切割仪器生成的磁场，按电磁感应定律就会在水流两侧形成电位差，此电位差与磁场强度、水流速度成正比，由此可测得水流速度。再由管道过水断面面积推算出流量。


管道流量测量技术　　　声学时差法管道流量计声学时差法管道流量计应用声学时差法测速原理测量满管水流的某一或几个直径的平均流速，也可测量平行的几个水层的平均流速，由测得流速推算管道平均流速，再依据管道过水断面面积推算流量。声学时差法管道流量计有夹装式和接管式两种形式。

声学多普勒管道流量计声学多普勒管道流量计应用多普勒原理测量管道内的流速分布，

由测得流速推求管道内平均流速，再根据管道内径推算流量。声学多普勒管道流量计有夹装式和接管式两种形式。


管道流量测量技术　　　管道流速仪流量计使用测量点流速的流速仪安装在管道内测量管道内固定点的流速，

由此点流速推求平均流速，再计算流量。可以使用转子式流速仪、电磁流速仪、声学多普勒点流速仪测量点流速，需要固定安装在管道内。

非满管管道流量计非满管管道流量计需要测量管道内的水位，此水位是水面离管道底部的高度，用以计算管道内水流的过水断面面积 F 。同时测量过水断面的流速 v，用以计算断面平均流速 V。用 Q=FV计算流量。

第四部分灌区量测水信息化系统建设要点

拥有近 30 多年研制历史我国水文自动测报系统的研制始于 1978 年，历经 4 个发展阶段，现正向第 5 阶段发展，其技术在灌区信息化应用基本同步开展。

灌区量测水信息化系统设计要点南京水利水文自动化研究所

1984－ 1990年研制定型阶段 1991－ 1999年推广应用阶段 2000－ 2009年信息网络阶段 2010 年 -智能应用阶段第一阶段水文自动测报系统，是个探索者，开创性地实现了我国水文观测自动化；国产自制设备为主，采用分立元件和小规模集成电路；工作制式采用应答式；通讯均采用超短波电台组网。

第二阶段水文自动测报系统；系统工作制式有自报式、应答式、应答／自报兼容式；系统结构体积小，用单片机、大规模集成电路组成遥测站数传仪、中继仪和中心控制仪；以单片机为值班机，微型计算机为主计算机。

第三阶段水文自动测报系统，已经成为水库、水电厂、江河不可缺少的防洪报汛手段；水利、水电部门进入全面推广应用水文自动测报系统；淮河正阳关以上流域等近千家已建的水文自动测报系统，绝大多数是在这一阶段陆续兴建的。

第四阶段水文自动测报系统，所覆盖的站点现已基本覆盖了我国大部份流域和省、市、自治区的广大地区，取得了防洪调度的巨大效益水利部门先后开展了水库洪水调度系统试点及除险加固工程综合自动化系统、国家防汛抗旱指挥系统水情分中心等项目的大规模建设。

第五阶段水文自动测报系统，融入了人工智能，向全面替代人工观测迈进；在嵌入式计算机的平台上融入了专家知识，对水文观测数据具有分析、比较、推理、判断等人工智能的功能，用于观测数据实时质量控制和水文条件分析等。

1977－ 1983年起步阶段


　　灌区量测水信息管理系统实施阶段设计应满足国家及行业有关规范、标准和规程要求，同时系统建设应满足以下几点要求：

1 、系统安全可靠、技术先进、功能齐全、配置经济合理、维护方便、具有良好的稳定性和可扩充性。

2 、遥测站点能够自动、实时灌区灌域内的水位（流速、流量）、雨量、闸位及土壤墒情等数据，并通过 GPRS 或超短波等通信信道直接将灌区量测水信息传送到中心站及各个分中心站。

3 、遥测站都向中心站报告本站运行状态信息，遥测站发出的每一条信息，都自带站点本身的地址码和信息采集时刻标识及电源状态，表明该信息的来源和采集时刻。　　

灌区量测水信息管理系统建设需求


　　 4 、考虑到设备的互换性和可扩展性，要求灌区量测水信息管理系统的遥测终端应具有多种通讯功能，包括：超短波通讯、 GPRS/GSM 短信通讯、卫星通讯。多种通信方式可混合组网。针对本系统多年来的运行情况加上这次组网电测的结果及系统的稳定可靠和时性准确性来看。

5 、遥测站各种设备结构简单、性能可靠及低功耗，并有防潮湿、防盗、放火、无雨衰、防雷电、抗干扰、抗暴风等措施，所有遥测站都能够在无人值守的条件下长期连续正常工作。

6 、系统应当在 20 分钟之内收齐灌区灌域内所有遥测站的数据信息，并作出调配水预报结果。　



　 7 、中心站计算机网络结构设计的原则是：安全、可靠、实用、先进、开放性、可扩充性和高度的统一性等特点，其结构宜采用 C/S （ Client/Server ）结构组成的局域网。工作方式为客户机 /服务器的工作方式。

8 、网络功能支持远程访问服务、支持分布式关系数据库结构、支持客户机 /服务器的计算机网络体系结构，支持超大型的数据库，具有并行事务执行、数据牵引和装载、通讯完整性检查功能。同时，系统可以自动的检测和解决死锁，支持横向和纵向的数据复制，可以在多种开放式数据库之间复制数据，能够文件传输、打印及共享。

9 、支持 Internet/Intranet 。中心站计算机操作系统软件采用美国微软公司的 Windows Server2000 中文标准版，数据库软件采用 SQL Server 2000 或 Oracle 8i 以上版本中文标准版。　　


灌区量测水信息化系统设计要点

数传电台或 GPRS

网络交换机

太阳能板

遥测终端

数传电台

蓄电池

太阳能板

遥测终端

数传电台

蓄电池

太阳能板

遥测终端

数传电台

蓄电池

水情工作站

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系统通信组网图


　　具有系统所需要的各项功能，满足系统的技术指标；选择设计定型的，经过长期应用考核证明是可靠的产品；遥测站尽可能的选用优质产品；尽量选用低功耗的产品。

遥测设备选型的原则


　　中心站配置由计算机及其网络设备、系统数据通讯设备、数据显示设备、供电设备以及避雷设备等组成。

中心站设备配置配置和主要产品介绍


　　遥测站设备由遥测终端、传感器、通信设备、天馈线和电源等组成（以超短波结构为例），其结构如图下所示。遥测站传感器包括：翻斗式雨量计，雷达水位计；通信设备包括超短波电台及天馈线、 GPRS 通讯模块；其余设备包括遥测终端、太阳能电池板及蓄电池等。

遥测站的设备与配置


灌区量测水信息管理系统通信组网方式灌区量测水信息管理系统常采用 GSM 组网、超短波组网、有线组网、卫星组网或上述方式混合组网等多种方式。由于大量水文地势平缓，公网已经基本覆盖，应充分利用公用信道，采用 GSM（ GPRS/SMS ）、 CDMA或 PSTN 信道，因为超短波通信有着造价低、易维护等优点，目前仍可选用。在无公用信道可资利用，超短波通信等难以连通时，则可选用卫星通信。对于重要具备防洪任务的水文可考虑采用混合组网方案以增加其系统可靠性。随着光纤的普及，对于“瘦长”型灌区，可以考虑采用光纤接入的方式进行数据通信，这样可大大地节约各信息采集点的通信成本。


灌区量测水信息采集传输方案灌区量测水信息管理系统总的框架是以省或流域级水情中心为中心，在地市级设立水情分中心，以遥测雨量站、水位流量站、水库站为信息源，以水文实时调度服务为目的的水调自动化系统。根据系统的不同功能可分为通信子系统、水情自动遥测子系统、堤坝安全监测子系统、闸门监视监控子系统、计算机网络子系统、实时用水决策子系统、防汛服务子系统和运行支持子系统等。灌区量测水信息采集子系统由安装在各个遥测站点（多个水位监测断面）上的水位、闸位及流量传感器 (具有 A/D转换功能 ) 及相应的自动采集设备组成，用于实时采集及存储水位、闸位和流量等信息。


灌区量测水信息采集方式灌区量测水信息包括水位、流速、流量、闸位、降水量、土壤墒情、蒸发量及水质等，灌区量测水采集的主要信息是水位、闸位、流量、降雨量等数据。由于传统的水位 - 流量观测方法无法满足自动测报系统的需要，对于特定灌区应用现场必须进行人工干预更新，方能实现灌区量测水信息的自动采集、长期自动存贮的信息化建设要求。


①水位采集方式水位观测设备优先采用水位测井和浮子式水位计。无水位测井的可因地制宜地采用压力式、超声波、雷达或激光等水位计。当水位升降 1cm 时，自动向接收方发送数据，为防止波浪影响，采用 5 分钟一次定时采集。 ②流量采集方式流量数据采集可通过自动流量监测站或通过人工置数方式传输。 ③雨量采集方式雨量采集采用翻斗式雨量观测设备，精度为 0.5mm ，当雨量达到 1mm 时，自动向接收方发送数据。采集降雨强度可达 4mm ，误差≤ ±3% 。 ④墒情及气象信息采集方式土壤墒情采用可采集测点处不同深度土壤含水率的观测设备，田间气象信息采集主要应用田间无人气象自动监测站来完成。


灌区量测水信息管理系统工作体制当前，灌区量测水信息管理系统应能够根据功能要求和管理维护力量，以及电源、交通、可资应用的通信信道及信道质量等条件，按照经济合理、便于维护的要求，选用自报式、应答式或混合式工作体制。 ①自报式在遥测站设备控制下采用随机自报和定时自报相结合。 ②查询 / 应答式由分中心自动定时巡测或随机召测遥测站，遥测站响应分中心的查询（召测），实时采集水文数据并发送给分中心。 ③混合式由自报式和查询一应答式两种工作制式的遥测站组成的系统为混合式系统。灌区量测水信息采集与传输的体制应尽量选为自报式体制，并能够支持分中心召测及远程下载功能，系统可通过软件设置支持上述几种数据传输体制，无需修改硬件，能够自动或根据分中心指令，在水位陡涨或达到警戒水位情况下，主动增加传送数据频度，其查询 / 应答功能主要用于远程管理和远程历史数据下载。


　　系统选用的传感器，必须是经过鉴定符合技术标准、计量标准的正规产品，其适用条件、精度、分辨率、技术性能必须符合有关的水文测验国家标准、行业标准的要求。

灌区量测水遥测站应具备以下主要功能：（ 1 ）定时采集闸位、水位等信息，并现地存储水位、流量 6 个月以上；

（ 2 ）定时或定量报送所采集水文信息或经换算后的流量等信息；（ 3 ）现场数据显示、参数设置；（ 4 ）数据合理性判别、故障自我诊断维护。

遥测站的传感器选择及遥测站主要功能


遥测系统设备选择灌区量测水信息管理系统的设备技术要求和选型必须满足有关技术标准和规程、规范要求。其通用技术条件和质量指标必须符合有关行业技术标准和规范的要求，并经质量检测部门检测合格。遥测设备选型的原则是：具有系统所需要的各项功能，满足系统的技术指标；选择设计定型的，经过长期应用考核证明是可靠的产品；遥测站尽可能的选用优质产品；尽量选用低功耗的产品。


　雨雪量计是用来收集降水的专用器具，并通过与之配套的雨量量筒，用来测定以毫米为单位的降水量。雨量器为传统产品，承水口使用铸铜件，筒身使用金属薄板卷曲焊成型。常见的雨量器外壳是金属圆筒，分上下两节，上节是一个口径为 20厘米的盛水漏斗，为防止雨水溅失，保持容器口面积和形状，筒口用坚硬铜质做成内直外斜的刀刃状；下节筒内放一个储水瓶收集雨水。测量时，将雨水倒入特制的雨量杯内读出降水量毫米数。降雪季节将储水瓶取出，换上不带漏斗的筒口，雪花可直接收集在雨量筒内，待雪融化后再读数，也可将雪称出重量后根据筒口面积换算成毫米数。

遥测站雨雪量测量


　 1) 雨量器及简易报警雨量计； 2) 虹吸式雨量计； 3) 翻斗式雨量计； 4) 高精度称重雨量计； 5) 加热融雪雨量计； 6) 声波雨量计等。　目前国内外正在研究容栅式光学雨量计、光学雨雪量计技术及测雨雷达技术，以实现更精确监测区域面雨量。

《翻斗式雨量计》 GB/T 11832-2002 及《降水量观测规范》 SL 21-2006 。

遥测站雨雪量传感器选择


翻斗式雨量传感器降水由环口控制面积，集水器回拢，通过进水漏斗进入翻斗，当计量到一定水量时，引起翻斗翻转，磁铁吸合（或释放）干簧管，产生一个通断信号，供遥测或记录仪器使用。


声波雨量传感器声波雨量传感器是应用回声测距原理测量液位变化来测量单位时间内的降雨量。该产品的特点是：声波波导传输技术。声波在圆形波导管中以简正波的形式传播，在传播过程中能量衰减很慢，因此具有信噪比较大、测量准确度较高等优点。测量范围 :0.1～ 50mm/min 分辨力 :0.1mm 测量精度 :≤±5％信号输出 :RS232（目前尚无该产品确切可靠使用证明）


称重式雨量传感器新一代OTT Pluvio2 采用先进的气象技术，完全符合最新 WMO（世界气象组织）气象标准。可长期稳定高精度的测量液态、固态或固液混合降水而无须维护保养。不管是毛毛细雨还是倾盆大雨，在 6-1800mm/h 雨量强度范围内它都可以获得可靠稳定的数据。


技术特点：● 可靠、无须维护，不受外界环境和气候的影响；● 称重法测量液态、固态以及固液混合状态的雨量；● 测量范围： 6-1800mm/h ，在细雨、中雨以及暴雨情况下可获得可靠的测量结果；● 区别于传统的翻斗式雨量计，在强降雨时也可实时准确测量；● 环形加热装置以及防冻液，使得在大雪以及霜冻等极端恶劣的气候条件下也能正常工作；● 温度： -40 ℃ -60 ＠，精度 0.1mm


加热式融雪雨量传感器德国 SEBA公司产品 RG50，是一款专门适用于高寒地区的加热式融雪雨量计。内部有智能加热装置，当腔体内温度低于 4℃时，将自动启动加热功能，开始化雪，同时使腔体内有一定温度，保证其能正常工作；当雨量计内温度高于10℃时，将自动停止加热。承雨口面积： 200cm2 分辨率： 0.2mm 允许最大电压 : 24VDC 允许最大电流 : 100mA 脉冲宽度 : 0.3~0.6s 高度 : 346mm，重量 : 3.9kg


中心（或分中心）站主要功能（ 1 ）对下属测流断面、遥测站、其它分中心的数据进行召测或定时自动接收，接收的数据进行预处理后，可通过数据、表格、文字、图像等形式，在显示屏幕上实时动态显示出来；（ 2 ）自动检查数据格式，进行数据的纠、检错以及合理性判断；（ 3 ）实时数据越限、设备故障告警及事故记录；设备运行状态显示及故障告警输出；（ 4 ）提供报警限值设定，当水位超过设定值时发出声音报警，报警状态可人工或自动关闭；（ 5 ）各分中心站可按给定的报表格式查询当前和任意历史时段各监测点实时数据，日、旬、月、年统计数据；


（ 6 ）实时显示各监测点水位过程线、流量过程线、雨量过程线及其他参数过程线；通过水文示意图点选相应位置，查询遥测站点的实时数据、历史数据、统计数据、过程线等；以动画、图片、文字等方式显示该点信息。（ 7 ）可对生成的历史数据库，进行添加、修改、删除；并可根据各点启用的最新水位流量对照表，对历史数据进行更新；可根据给定的资料整编误差对照表格式，对更新前后的数据库表中的数据进行对比分析；（ 8 ）可人工输入水位流量关系对照表，对于断面不稳定的遥测点可存储几条临时曲线，可自动和人工选择启用曲线，并能选择曲线的启用时间和终止时间；根据选用的曲线，更新历史数据；（ 9 ）根据给定的测流表格式及实测的起点距、水深、响铃数、时间，自动计算流速、面积、流量，并填入表格中相应的位置；对某测点的所有测流资料，自动生成实测流量成果表等。

中心（或分中心）站主要功能


野外遥测站房设计遥测站站房设计 /选型，应结合环境条件设计。常规（传感器在观测场、监测终端在室内），管理方便，便于维护，但施工成本高，传感器信号线较长，易遭受雷击破坏，抗震灾能力弱；


野外遥测站房设计筒式：抗雷击影响强（法拉第屏蔽效果），施工方便 /成本底，维护较麻烦，可应用于严寒地区，有利于设备防护；箱式：抗雷击影响较强（法拉第屏蔽效果），施工方便 /成本底，维护易；杆式：管理方便，便于防护，维护较麻烦，施工成本较高，较易遭受雷击破坏，抗震灾能力弱。


影响系统可靠运行的主要因素灌区量测水信息管理系统的可靠性最终体现在系统信息的“畅通率”；计算机及其网络的可靠性最终体现在“平均无故障工作时间”和“平均修复时间”。影响系统可靠的主要因素： ⑴系统设备的有效度：在以往的灌区量测水信息管理系统的实践中 , 设备出现故障（失效）主要是由于系统设计不周、设备元器件质量问题、设备的制造工艺不严格、电源不稳定、被雷击、操作及维修不周等原因造成。 ⑵系统软件和应用软件的可靠性：软件设计功能不全、稳定性差、可维护性差。 ⑶系统工作方式：系统工作机制不合理，数据收发和转发流程不合理。


影响系统可靠运行的主要因素 ⑷信道的可靠性：在高斯噪声干扰为主的信道中 ,误码率与信噪比有直接关系。当接收机输出信噪比大于等于 20db 的情况下 , 可以保证 FSK 输出的信道误码率仅为 10-4 ，加上纠错功能 ,误码率可进一步低于 10-4 。超短波信道的固有特点，信号有衰落，受干扰影响较大，可靠性低于卫星（微波）信道。但卫星信道由于有中心控制站和卫星的存在，对于用户来说，可维护性差。 ⑸网络系统的可靠性：这里的“网络系统”包括遥测通信网络和计算机网络两部分。由于网络系统面广、量大、系统组成复杂，系统故障有局部性的和全局性的。中心、分中心通信干线及计算机的硬件和软件系统及其网络的故障都带有全局性。


计算机网络还有数据的可靠性和安全性的问题。在网络系统中由于电源扰动、某些物理设备的失效或人为错误等因素 ,很可能造成系统的混乱或崩溃 ,�主要表现在网络管理的机制上 ,�如数据备份、数据库的一致性、数据安全管理及系统崩溃后的处理与恢复。如何使系统在发生故障后自动切换备份设备 , 保证测量数据的连续与完整 ,这是系统设计不可不考虑的大问题。 ⑹环境条件：包括地点选择不合理，机房、电源、防雷等条件不满足要求。 ⑺人为操作、维护和管理 :没有管理规章制度，缺乏技术管理人员，野蛮操作。

影响系统可靠运行的主要因素

量水设施的运行管理及维护南京水利水文自动化研究所

量水设施的运行管理及维护信息化系统建成后，如何有效地使用和运行是信息化建设作用能否充分发挥的重要衡量标准。有效使用和持续运行靠的是积极的管理和维护措施。运行、管理及维护包括设备设施的管护、问题的发现和解决、人员培训、制度职责的制定和履行。同时要大力推广应用，积极筹备费用，保证需求变更和 IT 发展情况下系统的更新、和升级，保持生命力。量水设施所获取的信息是灌区管理的基本依据，也是信息化建设成果能否发挥作用的重要保证。因此，量水设施的有效运行、管理和维护必须建立、配置和制定一系列机构、责任人、规章制度、技术方法、资金费用，以及人才培养措施等。


规章制度量水设施是灌区信息化中数量最多、分布最广、地理位置松散的建设项目，很多设施还处于无人值守的地方。因此，要首先制定建立行之有效的运行、管理和维护的各项规章制度，才能保证设施的正常运行以加强系统地运行管理。应制定的规章制度包括以下内容：岗位责任制度、运行管理制度、设备检修及故障处理制度、非运行期养护制度等。


设施管护管护内容：量水设施的管养维护工作可分为养护、岁修、抢修和大修四种。管护原则：管养维护工作应本着“经常养护、及时修理、养修并重”的原则进行，并应符合下列要求： ■应根据检查和观测成果，结合设施、设备的特点、运用条件、技术水平、材料和经费承受能力等因素综合确定； ■应根据有关规定明确各类设备的检修、试验和保养周期，并定期进行设备等级评定； ■应建立设备维修保养卡制度，建立单项设备技术管理档案，逐年积累各项资料，包括设备技术参数、安装、运用、缺陷、养护、修理、试验等相关资料； ■应根据设施及设备情况，备有必要的备品、备件。管护责任制：管养维护要实行项目责任制、项目管理卡制度、报帐制度和验收制度。


岗位责任制：由于量水设施分布的分散型，很难做到一对一专人管理，应依照灌区管理局（处）信息中心（信息处 / 信息科）全方位管理 - 管理所（站 /段）信息员成片管理 -托管员（可以是农户）定点看护，分三级制定岗位责任。信息中心对量水设施的正常运行负全面技术责任。管理所信息员负责管理所所辖设施的运行、管理及维护工作。定点托管员负责对设施的管护。运行管理制度：例会制度，运行值班制度，巡视检查制度，运行、管理及维护人员的分工和职责，事故处理；设备管理与检修制度：设备检修制度，设备检修验收制度，设备缺陷管理制度；非运行期值班制度等等。


软件维护量水设施中直观可见的虽然主要是硬件设备，但是，为了保证信息的采集、处理、现地存储、远程传输，也需要软件的支持。，信息化当今时代，信息技术 IT 发展速度很快，硬件设备更新换代频繁，对应的软件也必然要适应硬件环境进行调整，这就是所谓的软件维护。量水设施安装好，投入运行后，运行管理人员应根据软件使用说明书充分了解软件功能及各模块、界面内容，以保证熟练使用操作。应检查保护好系统软件、应用软件的光盘、硬盘等备份文件；掌握好软件的重新安装配置方法，在软件瘫痪后能自主按照说明书重新恢复。


系统培训及人才培养灌区量水设施种类繁多，涉及传感、电子、通信等现代信息技术，加之这些技术的发展、更新速度很快，技术人才的培养显得尤为重要。因此，灌区领导应从认识上重视这方面人才的培养，在建设过程中安排专人负责，建成后以一该人员为主组建专门的运行管理维护队伍，并应根据需求补充新生力量。

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灌区量测水技术及 装备

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