基于多点流速面积法的明渠流量计溯源技术

基于多点流速面积法的明渠流量计溯源技术

作者：韩明、付志博、杜启行、姚依国、赵娜、周云腾

摘要：系统介绍了多点流速面积法的测量原理，以标准流速计、标准液位计作为标准器，设计桁架式多点测流明渠计量系统，实现对明渠流量计的在线校准。通过试验验证了溯源技术方法可行性，分析在线校准明渠流量计的影响因素，提升溯源结果的准确性和有效性。
关键词：明渠流量计；溯源方法；在线校准；流速面积法
0 引言
《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》要求“把水资源作为最大的刚性约束，坚持以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”。水资源计量装备是节水控水的重要基础设施，是实现水资源科学管理与高效利用的关键。明渠流量计是渠道中测量流体流量的监测设备或系统，广泛用于水库、河流、水利工程、城市供水、污水处理、农田灌溉和市政水资源等渠道流量的计量，应用前景十分广阔。但是，大尺寸明渠流量计缺少量值传递的溯源方法和测量测试装置，存在“测不了、测不全、测不准”的难题，亟待开展大口径明渠流量计的溯源技术研究。
明渠流量测量方法按测量原理分为堰法、测流槽法、流速-水位计算法和箱式流量计法，主要用于矩形、梯形明渠及涵洞等大口径、大流量、复杂工况下水资源计量。传统明渠流量计安装于堰或测流槽的垂直截面，配备液(水)位计，实现明渠流量的测量。近年来，新兴明渠计量发展迅速，箱涵式、超声波、桁架式多点测流等新兴明渠计量装备使用日趋广泛，明渠计量技术研究日益深入，测量准确度快速提升。娄鑫鑫著文分析了在线校准明渠流量计的影响因素，对在线校准进行不确定度分析，提出提升液位测量准确度的方法等；孙东坡等学者著文对矩形断面明渠流速分布进行理论分析和试验研究，建立断面流速分布模型，验证了断面测线平均流速与中垂线平均流速间的数量关系；王宝贺等学者著文采用GA-BP神经网络方法分析断面测点最优方案，提升明渠流量测量准确度。
国内发布的明渠流量计的检定规程比较少，JJG711——1990《明渠堰槽流量计(试行)》检定规程，JJG(水利)004—2015《明渠堰槽流量计计量》检定规程适用于巴歇尔、堰式、槽式等传统明渠流量计的现场检定, JJF(浙)1080—2012《明渠流量计在线校准规范》采用在渠道安装标准明渠流量计的方法进行在线校准，不适合大型明渠流量计的校准应用。JJG 835——1993《速度-面积法流量装置》检定规程仅对封闭管道中流体的检定方法进行理论探讨，缺少大口径开放明渠溯源的方法内容。
国外明渠校准如薄板堰、矩形宽顶堰、三角形剖面堰、V形堰等明渠检定规程，多基于堰槽水流量和水位高度关系，缺少严谨数学推理和论证。综上所述，目前缺少复杂工况下的明渠在线溯源的数学模型和校准方法。
为解决大口径、大流量明渠流量计在线溯源难题，山东省计量科学研究院与国家水资源计量装备产业计量中心(筹)联合开展水资源计量测试技术研究, 编制了JJF(鲁)199—2024《桁架式多点测流明渠计量系统在线校准规范》。本文重点探讨了基于多点流速面积法的明渠流量计在线溯源的数学模型，引入改进的春日屋测流法，对影响流量测量的因素进行深入分析，设计了基于多点流速面积法的“桁架式多点测流明渠计量系统在线校准系统”，建立明渠流量在线校准的数学模型，解决了明渠流量在线溯源难题。
1 明渠流量在线校准
1.1 工作原理及系统组成
桁架式多点测流明渠计量系统是以固定桁架型式横跨在明渠上，采用多点流速面积法进行明渠流量测量的计量系统。系统组成如图1所示，固定桁架包括支架(明渠截面安装)和支杆，流速仪安装于支杆上，液位计、流速计在特定位置分别测量液位、流速，液位和流速电信号传送至积算仪表计算流量。以标准流速计、标准液位计作为主要标准器，依据多点流速面积法测量明渠流量。
1.2 在线校准
1.2.1 校准前准备

• 设备安装
  将流速计、液位计正确安装于支架或其他辅助测量设备的规定位置，接通电源，开机预热，按流速计、液位计说明书中的方法检查流量计参数的设置，运行5min，等流量和液位稳定后方可进行校准。
• 流体截面选择
  流体截面应垂直于明渠水流方向，渠道形状应规则，与被校流量计的距离一般应满足前10倍液面宽度或后5倍液面宽度的要求。
• 截面尺寸测量
  截面宽度和液面宽度宜采用激光测距仪进行测量，并取三次测量平均值为测量结果。截面水深宜采用液位计进行测量，取三次测量平均值为测量结果。
• 校准流量点选择
  校准流量点一般应包括qmax，每个流量点校准次数不少于三次。如现场明渠流速无法调节，可将现场流量设置为唯一校准点。
• 流体截面图的绘制
  根据JJF(鲁)199—2024规范绘制流体截面图，计算确定测流垂线和各测点位置。
  

1.2.2 流量计算
按照JJF(鲁) 199—2024附录A.4确定测流垂线及测点，根据水深确定测点数和各测线测点位置，按照附录A.5垂线流速测量方法得到各条垂线的流速v1。
1.2.3 截面各部分的平均流速
两侧坡道间隔部分面积的平均流速可按以下方法计算:

• 两侧坡道间隔部分面积的平均流速（公式1和2）。
  中间部分测速垂线间隔部分面积的平均流速可按以下方法计算：
• 中间部分测速垂线间隔部分面积的平均流速（公式3）。
  式中：n——为垂线总数；
  i——垂线序号, i=(1, 2, ……, n-1);
  v3——第i条垂线的流速；
  v.——第i+1条垂线的流速;
  ocm——第i条和第i+1条垂线之间截面分割部分的平均流速；
  a——岸边流速系数，与渠道的截面糙率、水流条件等有关，规则土渠的斜坡用边a=0.67 ~ 0.75；概形断面混凝土衬砌集段a=0.8 ~ 0.9；不平整的陡岸边a=0.8；光漏的陡岸边a=0.9；死水边a=0.6。
  按上述公式依次计算截面各间隔部分平均流速 v0,1, v0,2, ……, v(n-1),n。
  

1.2.4 截面标准流量计算
基于流速面积法按照以下方法计算通过截面的标准流量（公式4）。
式中：q。——通过多点流速面积法测量的通过截面的流量, m³/h;
Bam——垂线i和垂线(i+1)之间间隔部分的平均流速, i=(1, 2, ⋯⋯, n-1);
A.ω——垂线i和垂线(i+1)之间间隔部分面积；
An,及 Anm——两侧垂线至边坡的间隔部分面积。
1.2.5 校准步骤
进入校准操作，记录被校明渠流量计累积体积流量初值 Qm，同时启动计时。将标准流速计、标准液位计移至第一条测流垂线上方，测量测流垂线位置液位深度h1；沿测流垂线由上至下依次测量测流垂线上各点流速，每个测点测量时间不少于1min，有效读取并记录10组流速值，其平均值作为该点的流速。
依次移至下一条测流垂线，完成液位、流速测量；重复上述操作，直至完成所有测流垂线液位、流速测量；考虑渠道液面波动对流体截面的影响，根据实际测量的各垂线液位值，对前期绘制的流体截面图进行修正。
结束计时，同时记录被校明渠流量计终值Q，得到时间t，并记录。按以下方法计算被校明渠流量计平均瞬时流量（公式5）。
重复上述步骤，完成第2次、第3次测量。
1.2.6 数据处理
流量点单次校准的相对示值误差按以下方法计算（公式6）。
流量计各校准流量点的相对示值误差、重复性按以下方法计算（公式7至10）:
式中：E0——第i校准点第j次校准时的相对示值误差, %;
E1——被校明渠流量计第i校准点相对示值误差, %;
n——第i校准点校准次数；
E——流量计的示值误差。
重复性计算方法（公式9）。
式中：(E1)1——流量计第i校准点的重复性。
明渠流量计的重复性计算方法（公式10）。
式中：E——流量计的重复性。
2 现场明渠流量测量实例分析
2.1 校准模型及不确定度评定
为分析测量准确度影响因素，选取某桁架式多点测流明渠计量系统进行校准，并对测量结果进行不确定度评定和分析。测量对象如下：桁架式多点测流明渠计量系统，渠道形状为梯形，渠顶、渠底、渠道深度分别为6.55m、3.8m、1.5m,渠道水深0.97m，水面宽度5.5m，断面过流面积A = 4.51 m²。被校桁架式多点测流明渠计量系统流量范围为1000 ~ 12000m³/h, 实测流量点6800m³/h,最大允许误差±5.0%。根据JJF (鲁)199—2024对桁架式多点测流明渠计量系统进行校准，并对结果进行不确定度评估。测量结果为桁架式多点测流明渠计量系统在6861.73m³/h流量点在线校准的平均相对示值误差校准结果的扩展不确定度为 Ur = 4.9%, k=2。
计算过程如下（公式11）。
桁架式多点测流明渠计量系统示值误差的扩展不确定度计算结果（公式12）。
测量结果不确定度分量如表1所示。
2.2 提升流量准确度的措施
2.2.1 流体截面的选择
测量流体截面尺寸, 依据GB/T 21303—2017,并结合春日屋法确定垂线布设方案，确定垂线和流速测点位置，根据液位和截面参数绘制流体截面图，其中1~8为测线序号，a~e为测线间距(单位m)。一条垂线上相邻两测点的最小间距不应小于流速计最大外形尺寸，测量液面流速时，流速计不应露出液面，上边缘应置于液面0.05m以下；测量渠底流速时，流速计应布置于0.9倍水深以下，同时流速计的边缘距离渠底，建议为0.02 ~0.05m。
2.2.2 单点流速
校准前，在被核查流速计的同一水流轴线前2m位置放置标准流速计，待稳定后，用标准流速计连续测量6次，按以下方法计算标准流速计与被校流速计的流速差，比较单点流速差应不大于 (±3% v稀 + 0.01) m/s。流速示值误差按以下方法计算（公式11至14）。
2.2.3 液位稳定性
单次测量前，使用液位计连续测量液位高度6次, 按以下方法计算液位变化，在0.3 ~5m的水深范围内，液位变化应不超过±20mm（公式15）。
2.2.4 流量稳定性
在一个校准测次的总累计时间t内，随校准同步进行流量稳定性核查，连续记录n(≥10)次被测明渠流量计瞬时流量值，按照以下方法计算流量稳定性，流量稳定性应不大于5%，如大于5%，本次校准无效（公式16至17）。
2.2.5 渠底污泥影响量
在校准操作前，流体截面渠底应进行彻底清淤，应使用液位计和超声波测深仪对流体截面渠底污泥厚度作测量。按照JJF(鲁)199—2024附录A多点流速面积法，确定测量垂线位置，取各测量垂线的污泥厚度平均值为流体截面的平均污泥厚度，流体截面的平均污泥厚度应不大于最大水深的2%或20mm(取两者中的最小值)。
2.2.6 截面面积
坡道与渠道底夹角易形成泥沙淤积，使用液位计和超声波测深仪对流体截面渠底污泥厚度进行测量，并对绘制的测流截面图和各部分面积进行修正，其中1-8为测线序号。
3 结语
明渠流量计在线校准数据的准确度，受到多方面因素的影响，在校准前期，需要保证校准作业断面前端渠道的长度，做好流体截面尺寸的准确测量，充分分析流速、液位和渠底污泥对流速的影响，以及采用的液位传感器、激光测距仪需满足准确度等级等要求，以确保流量监测数据的准确有效。通过分析可知，为了实现明渠流量计的在线校准，需要建立计量校准系统，包括桁架安装、液位传感器的位置调整、水位波动、水流速波动的核查等参数，并且考虑现场可能受到各种环境条件的影响。后续仍需进一步研究引入智能化校准的方法和设备，不断完善系统的运行程序，提升在线校准效率和准确性，推动水资源准确计量，更好地服务经济社会的高质量发展。
参考文献
[1]娄鑫鑫.明渠流量计在线校准方法及可行性分析[J].科学技术创新, 2022(6): 22-25.
[2]孙东坡，王二平，董志慧，等矩形断面明渠流速分布的研究及应用[J].水动力学研究与进展(A辑), 2004, 19(2) : 144-151.
[3] 王宝贺，苏沛兰，吴建华，等.基于GA-BP神经网络的明渠流速测点优化研究[J].人民黄河,2023, 45(12) : 117-123.
[4]北京标准计量局，明渠双槽流量计试行检定规程：JJG 711——1990[S]北京: 中国计量出版社, 1990.
[5]水利部.明渠堰槽流量计计量检定规程：JJC(水利)004——2015[S]北京: 2015.
[6]浙江省质量技术监督局，明渠流量计在线校准规范：JJF(浙)1080——2012[S]杭州: 2012.
[7] ISO. Hydrometry-Open channel flow measument using thin-plane woins: ISO 1438-2008[S]. Ceneva: 2008
[8]河南省技术监督局.速度-面积法流量装置计量检定规程：JJG835——1993[S]北京: 中国计量出版社, 1993.
[9] ISO. Hydrometry-Open channel flow measurement using rectangular bread-created weirs: ISO 3846-2008[S]. Geneva: 2008.
[10] ISO. Liquid flow measurement in open channels-Round-nose
[11] ISO. Hydrometry-Open channel flow measument using triangular profile weira: ISO 4360-2008[S]. Geneva: 2008.
[12] ISO. Hydrometzic deteminations flow measurement in open channels
[13]刘望天，刘序禄.春日屋数值相关测流方法探讨[J].水文，2004(6): 47-49.
[14]山东省流量计量技术委员会.桁架式多点测流明渠计量系统在线校准规范: JJF(鲁) 199——2024[S].济南: 2024.
[15]胡博。朱永宏，闫继伟.基于明渠流量计的污水流量监测数据准确度的技术分析[J].计测技术,2015, 35(S1) : 135-138

本文整理自学术论文：

《基于多点流速面积法的明渠流量计溯源技术》

作者：韩明、付志博、杜启行、姚依国、赵娜、周云腾