流量测验方法

3.3.1　流量测验方法分类

由于流量测验在水文测验中占有重要的位置，因此，国内外采用的流量测验方法很多，主要分为以下几类：

（1）按流量测验原理可分为：流速面积法、水力学法、化学（稀释）法、直接法等。实际测流时，在保证资料精度和测验安全的前提下，根据具体情况因时因地选用不同的测流方法。

①流速面积法，常用的有流速仪法、浮标法、电磁波流速仪法、光学流速仪法、航空摄影法、动船法、超声波流速仪法、电磁法、比降法等。

②水力学法，包括量水建筑物测流和水工建筑测流。

③化学（稀释）法，化学法又称溶液法、稀释法、混合法等。

④直接法，容积法和重量法都是属于直接测量流量的方法适用于流量极小的山涧小沟和实验室模型测流。

（2）根据测验时河流流量的大小可分为：洪水流量测验、平水流量测验、枯水流量测验。

（3）根据测验时水流是否有冰情可分为：畅水期流量测验、流冰期流量测验、封冻期流量测验。

流量测验常用方法有：流速仪法、浮标法（包括水面浮标、小浮标、深水浮标、浮杆浮标）、量水建筑物法（包括量水堰、量水槽、量水池）、比降面积法等。在多种流量测验方法中，目前全世界最常用的方法是流速面积法，其中流速仪法被认为是精度较高的测流方法。当流速、水深、设备条件适合，测流时机允许时，多采用流速仪法测流。水文流量测验，一般采用流速仪法或浮标法。量水建筑物法测验精度高，适宜在变幅小的小流量测验中使用，比降面积法精度较低，在不能用流速仪法或浮标法的高洪流量测验中使用。

3.3.2　流速面积法

流速面积法（也称面积流速法）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，又分为流速仪法、测量水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，流速仪法是指用流速仪测量断面上一定位置测点流速，推算断面流速分布，计算平均流速的方法。使用最多的是机械流速仪，也可以使用电磁波流速仪、多普勒点流速仪。

（1）流速仪法。根据流速仪法测定平均流速的方法不同，又分为选点法和积分法等。

①选点法是将流速仪停留在测速垂线的预定点即所谓测点上，测点各测点流速，计算垂线平均流速，进而推求断面流量的方法。目前，普遍用它作为检验其他方法测验精度的基本方法。

②积分法是流速仪以运动的方式测取垂线或断面平均流速的测速方法。根据流速仪运动形式的不同，积分法又可分为积深法和积宽法。

A.积深法是流速仪沿测速垂线匀速提放测定各垂线平均流速推求流量的方法。积深法具有快速、简便，并可达到一定精度等优点。

B.积宽法是利用测桥车、测船或缆道等渡河设施设备拖带流速仪，并将其置于一定水深处，渡河设施设备沿选定垂直于水流方向的断面线匀速横渡，边横渡边测量，连续施测不同水层的平均流速，并结合实测或借用的测断面资料来推求流量的方法，该法可连续进行全断面测速。积宽法又根据使用积宽设备仪器的不同分为动车、动船和缆道积宽法等。

积宽法适用于大江大河（河宽大于300m、水深大于2m）的流量测验，特别适用于不稳定流的河口河段、洪水泛滥期，以及巡测或间测、水资源调查、河床演变观测中汊道河段的分流比的流量测验。积分法过去在流量测验中少量使用，由于ADCP的出现，目前使用更少。

（2）测量表面流速的流速面积法

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、光学流速仪法、航空摄影法等。这些方法都是通过先测水面流速，再推算断面流速，结合断面资料获得流量成果。

①浮标法是通过测定水中的天然或人工漂浮物随水流运动的速度，结合断面资料及浮标系数来推求流量的方法。

一般情况下，认为浮标法测验精度稍差，但它简单、快速、易实施，只要断面和流速系数选取得当，仍是一种有效可靠的方法，特别是在一些特殊情况下（如暴涨、暴落、水流湍急、漂浮物多），该法有时是唯一可选的方法，也有些测站把它作为应急测验方法。

②电波流速仪法是利用电波流速仪测得水面流速、然后用实测或借用断面资料计算流量的一种方法。电波流速仪法是一种利用多普勒原理的测速仪器，也称为微波（多普勒）测速仪。由于电波流速仪法使用电磁波，频率高，可达10GHz，属微波波段，可以很好的在空气中传播，衰减较少。因此，其仪器可以架在岸上、桥上或缆道上，仪器不必接触水体，即可测得水面流速，属非接触式测量，适合在一些特殊情况下（如水流湍急、漂浮物多）使用，也适合巡测、大洪水时其他机械流速仪无法实测时使用。

③光学流速仪法测流有两种类型仪器，一种是利用频闪效应，另一种是利用激光多普勒效应。

A.频闪效应原理制成的仪器是在高处用特制望远镜观测水的流动，调节电机转速，使反光镜移动速度趋于同步，镜中观测的水面波动逐渐减弱；当水面呈静止状态时，即在转速计上读出摆动镜的角度。如仪器光学轴至水面的垂线距离已知，用三角关系即可算得水面流速。

B.激光多普勒测速仪器是将激光射向所测范围，经水中细弱质点散射形成低强信号，通过光学系统装置来检测散射光，通过得到的多普勒信号，可推算出水面流速。

④航空摄影法测流是利用航空摄影的方法对投入河流中的专用浮标、浮标组或染料连续摄像，根据不同时间航测照片位置，推算出水面流速，进而确定断面流量的方法。

（3）测量剖面流速的流速面积法

测量剖面流速的流速面积法，又有声学时差法、声学多普勒流速剖面仪法等。

①声学时差法是通过测量横断面的一个或几个水层的平均流速流向，利用这些水层平均流速和断面平均流速建立关系，求出断面平均流速。配有水位计测量水位，以求出断面面积，计算流量。国际上时差法仪器较成熟可靠，精度较高，较为常用。时差法有数字化数据、无人值守、常年自动运行、提供连续的流量数据、适应双向流等特点。

②声学多普勒流速剖面仪法也称ADCP法（Acoustic Doppler Current Profiler），ADCP是自20世纪80年代初开始发展和应用的新的流量测验仪器。按ADCP进行流量测验的方式可分为水平式、垂直式。垂直式根据安装方式又可分为坐底式和水面式。

A.走航式ADCP也常简称ADCP，是一种利用声学多普勒远离测验水流速度剖面的仪器，它具有测深、测速、定位的功能。一般配备4个（或3个）换能器换能器与ADCP轴线组成一定的夹角。每个换能器，既是发射器，又是接收器。换能器发射的声波具有指向性，即声波能量集中于较窄的方向范围内（称为声束）。换能器发射某一固定频率的声波，然后接受被水体中颗粒物散射回来的声波。假定颗粒物的运动速度与水体流速相同。当颗粒物的运动方向是接近换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波频率高。当颗粒物的运动方向是背向换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波频率低。通过声学多普勒频移，可计算出水流的速度，同时根据回波可计算水深。当装备有走航式ADCP的测船从测流断面一侧航行至另一侧时，即刻测出河流流量。故ADCP流量测验方法的发明被认为是河流流量测验技术的一项革命。

B.水平式ADCP也称H-ADCP。它是根据超声波测速换能器在水中向垂直于流向的水平方向发射固定频率的超声波，然后分时接受回波信号，解算多普勒频移来计算水平方向一定距离内多达128个单元的流速，与此同时用走航式ADCP或旋桨流速仪测出过水断面的平均流速，积累一定的资料后，利用回归分析或数理统计的其他方法建立水平ADCP所测的这一层流速和过水面积内平均流速的数学模型，即可得到断面流速。再用水位计测出水位，算出过水面积，即可获得瞬时流量。

C.垂直式ADCP又称V-ADCP，它配有多个测速换能器，安装在某一垂线的河底或水面，测量此垂线上多个点的流速分布。流量算法有两种：其一是和H-ADCP一样利用测得的垂线流速和断面平均流速建立关系来求出断面平均流速，同时仪器配有水位计，可方便地求出断面面积，流量的算法和H-ADCP相同；其二是利用测到的断面上各垂线的流速，结合流速分布理论算出断面流速，再乘以面积就得到流量，这种算法比较适合于管道或宽深比较小的渠道、河流。

（4）测量整个断面平均流速的流速面积法

这类方法主要是指电磁法。电磁法测流是在河底安设若干个线圈，线圈通入电流后即产生磁场。磁力线与水流方向垂直，当河水流过线圈，就是运动着的导体（水体）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。只要测得两极的电位差，就可求得断面平均流速，计算断面流量。该法可测得瞬时流量。但该法技术尚不够成熟，测站采用较少，目前国外有少量使用，且只用于较小的河流和一些特殊场合。

（5）其他面积流速法

采用深水浮标、浮杆等方法测得垂线流速，根据断面资料也可计算出流量。