1.概述

流量是单位时间内流过河渠或管道某一横断面的水体体积，以m3/s计。流量是反映河流水资源和水量变化的基本资料，在水利水电工程规划设计和管理运用中都具有重要意义。下面介绍流速面积法进行流量测验的方法。

通过实测断面上的流速和过水断面面积来推求流量的方法称为流速面积法。其测定流量的原理为：由水力学可知，流量等于断面平均流速与水流断面面积的乘积。天然河流因受边界条件影响，断面内的流速分布很不均匀，流速随横向及垂直方向位置的不同而变化，因此用垂线将水流断面分成若干部分，然后测定部分流速vi和部分面积fi，两者的乘积即为通过该部分面积上的流量qi，最后求得全断面的流量Q=∑qi。

2.流量测算

采用流速面积法进行流量测验主要包括过水断面测量、流速测量及流量计算3部分工作。

（1）过水断面测量。过水断面是河流、渠道或管道内能排泄水流的横断面。其测量包括在断面上布置若干条测深垂线，施测各垂线的水深、起点距及水位，如图3-7所示。断面测量时测深垂线的数目及其分布要求达到能控制断面形状的变化，以求能正确绘出断面图。一般原则是：测深垂线的位置应能控制河床变化的转折点；主槽部分一般应较滩地为密。大断面测量水下部分的最少测深垂线数目见表3-3。

图3-7　过水断面测量示意图

表3-3　大断面测量的最少测深垂线数目

测量水深的方法随水深、流速大小、精度要求及测量方法的不同而异。通常有下列几种方法：用测深杆、测深锺、测深铅鱼等测深器具测深；缆道悬索测深；超声波回声测深仪测深等。起点距是指在测验断面上各测深、测速垂线至起点桩（在基线上）的水平距离。起点距的测定是断面测量工作必不可少的。水道断面的起点均以高水时的起点桩（一般为左岸桩）作为起算零点。测定起点距的方法很多，常见的方法有断面索观读法、测角交会法、无线电定位法等。各测深垂线的水深及起点距测得后，各垂线间的部分面积及全断面面积即可求出，具体算法见[例3-3]实例。

（2）流速测量。流速测量方法很多，下面仅介绍天然河道中普遍采用的流速仪测流速法。

1）流速仪简介。流速仪是测定水流运动速度的仪器，式样及种类很多，最常见的是转子式流速仪，转子式流速仪又分旋杯式和旋桨式两种。旋杯式流速仪是以旋杯作为转子的流速仪，旋杯绕着竖轴转动，其转速与周围水流的流速成单值对应关系，见图3-8。旋桨式流速仪是以旋桨作为转子的流速仪，旋桨绕着水平轴转动，其转速与周围水流的流速也成单值对应关系，见图3-9及图3-10。流速仪转子的速度n与流速v之间存在着一定的函数关系v=f（n）。大量实验证明其关系相当稳定，可以通过检定水槽的实验确定。利用这一关系，在野外测量中记录转子的转速，就可以算出水流的流速。目前，国内外使用的各种类型流速仪施测成果较可靠，基本上能满足测验精度要求。但转子都具有惯性作用，水流含沙较大使转轴加速磨损等问题仍存在，因此各国试验研究并推广采用其他感应器来测速，如超声波测速法、电磁测速法等，这些流速仪都称为非转子式流速仪。

图3-8　旋杯式流速仪

图3-9　旋桨式流速仪

图3-10　流速仪工作原理

（a）旋桨式（轴水平）；（b）旋杯式（轴竖直）

超声波测流方法是利用超声波传播具有很强的方向性，以及超声波传播速度随水流流速成正比变化的特点来测流速的。其原理是在河流两岸边水下某深度处，分相对上下游，装置一对可相互发射和接受超声波的换能器，由于水流流速的因素，上游岸边换能器所发射的超声波传播到下游河流另一岸边换能器所用时间，不同于下游岸边换能器所发射的超声波传播到上游河流对岸换能器所用时间，根据时间差可推求出流速。

电磁法测流仪是以法拉第电磁感应定律为根据制成的用以测定水流速度的仪器。其原理是在河流施测断面产生一匀强磁场，水流便成了切割磁力线的导体，将产生一电动势，用电位差计量得电动势，根据法拉第电磁感应定律，电动势与导线运动的速度成正比，可求出水流的平均速度。

2）测速垂线和测点布设。流速仪法测流时必须在断面上布设测速垂线和测速点，以测量断面面积和流速。目前，我国对测速垂线数目规定见表3-4。

表3-4　我国精测法、常测法最少测速垂线数目表（条）

(www.daowen.com)

测速垂线上测速点数目和位置的布设，应根据水深而定，同样需要考虑资料精度要求，节省人力与时间。一般可用一点法（即在水面以下相对水深为0.6或0.5的位置），二点法（0.2及0.8相对水深），三点法（0.2、0.6及0.8相对水深）。在特殊情况下，可采用多点法，如五点法（0.0、0.2、0.6、0.8、1.0）。其中相对水深是从水面算起的垂线上任一测点的深度与实际水深的比值。

3）测点流速的测定。测点流速是在测验断面内任意垂线测点所测得的水流速度。测速时，把流速仪放到垂线测点位置上，待信号正常后开动秒表，记录各测点总转数N和测速历时T，可求得测点的流速，计算公式为：

式中 v——水流速度，m/s；

N——流速仪在T历时内的总转数，一般以接收到的信号数乘以每一信号所代表转数求得；

T——测速历时，s，为了消除流速脉动影响，一般不小于100s；

K、C——流速仪常数，流速仪出厂时由厂家率定并标注于铭牌或说明书中。

（3）流量计算。下面用列表法计算流量，见表3-5。计算的步骤是由测点流速推求垂线平均流速，再计算相邻二测速垂线间部分面积上的部分平均流速；由相邻二垂线水深和间距计算部分面积，部分面积与相应部分流速相乘即得部分流量；部分流量之和即为断面流量。现分述如下。

1）垂线平均流速计算。垂线平均流速是测速垂线上各测点流速的加权平均值。其可根据各条测速垂线上的点流速计算得出，计算公式如下：

式中 vm——垂线平均流速，m/s；

v0.0、v0.2、v0.6、v0.8、v1.0——水面、0.2、0.6、0.8相对水深及河底的流速。

2）部分平均流速计算。部分平均流速是两相邻测速垂线的垂线平均流速的平均值，或岸边垂线流速乘以相应系数的积。岸边部分平均流速计算公式如下：

式中 vm1、vmn——距离两岸最近的两条垂线平均流速。

α——岸边流速系数，视岸边情况而定：斜坡岸边可取用0.7，陡岸边根据其光滑程度取用0.8～0.9，死水边可用0.6。

中间部分平均流速按相邻二垂线平均流速的平均值计算，即

3）部分面积计算。部分面积是测深或测速两相邻垂线间或岸边垂线与水边线间的水道断面面积。部分面积的计算，岸边部分按三角形计算，中间部分按梯形计算。

4）部分流量计算。部分流量等于部分平均流速与部分面积的乘积，即qi=vifi。

5）断面流量计算。断面流量为断面上各部分流量之和，即Q=∑qi。

【例3-3】某一水文站施测流量，岸边系数α取0.7，按上述方法计算流量，成果见表3-5。

表3-5　某站测深、测速记载及流量计算