面積流速儀在明渠流量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.docx

1、面積流速儀在明渠流量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用蒙海/,魯金鳳2,劉佳泓I,陳曼丁I,趙吉睿'(1.天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津300191；2.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300071)摘要結(jié)合前人對(duì)矩形斷面明渠流逸分布的理論分析與試驗(yàn)研究，應(yīng)用大量的試驗(yàn)教據(jù)，定立明栗流量測(cè)定的代表斷面、代表蚤線(xiàn)和代表水深，可以提高實(shí)際明渠流量測(cè)定精度，筒化明渠流量測(cè)定工作量。結(jié)果表明：實(shí)際流量監(jiān)測(cè)中，量斷而最好選擇在渠寬4倍的距離以上，如果不滴足條件，渠越寬，需要的相對(duì)流程越短;越宰，相對(duì)流程越長(zhǎng)。監(jiān)測(cè)水深時(shí)，在r=0.4A處作為監(jiān)溯點(diǎn)，在水波波動(dòng)枝大的水中，也可以逸擇應(yīng)用0.2奴0.6A和0.8A三點(diǎn)法，但不建

2、議逸擇0.2入和0.8h的兩點(diǎn)法。監(jiān)測(cè)垂線(xiàn)的選擇為：在W3.0m的明渠上，一莪取3條垂線(xiàn)就可以代表平均值，第1條垂線(xiàn)選擇應(yīng)距葛渠壁大于10cm,在0.1+(0.56-0.lm)/20.56范圖內(nèi)平均設(shè)JI另外兩條垂線(xiàn)。關(guān)鍵憫面積流速儀;明果；流量監(jiān)測(cè)中圖分類(lèi)號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章細(xì)號(hào)0517-6611(2013)35-13687-02ApplicationofAreaFlowMeterinOpenChannelFlowMonitoringMENGHai-taoetal(TianjinEnvironmentalMonitoringCenter,Tianjin300191)AbstractOnthis

3、basisoftheprevioustheoreticalanalysisandexperimentalstudyoftherectangularopenchannelflowdistribution,aswellasalargenumberofexperimentaldata,thispaperestablishedtherepresentativecross-section,representativeverticallineandrepresentativewaterdepthfortheopenchannelflowmonitoring,whichcouldimprovetheaccu

4、racyandsimplifytheworkloadofopenchannelflowmonitoring.Hieresultsshowedthatintheactualflowmonitoring,thecross-sectionshouldbelocatedatthedistance4timesofthechannelwidthorabove；iftheconditionscannotbemet,awiderchannelneedsashorterrelativeflowpath,andanarrowerchannelneedsalongerrelativeflowpath.Inwater

5、depthmonitoring,y-0.4Aistakenasthemonitoringpoint,orinwaterwithviolentwaves,0.2h,0.6hand0.8hcanbetakenasthree-pointmonitoring,buttwo-pointmonitoring(0.2hand0.8h)isnotrecommended.Themonitoringverticallineisdefinedas：foranopenchannelW3.0m,3verticallinesaretakentorepresentthemean,thefirstoneshouldbe10c

6、morfurtherawayfromthechannelwall,andtheothertwosetevenlywithintherangeof0.1+(0.56-0.lm)/2-0.5b.KeywordsAreaflowmeter；Openchannel:Flowmonitoring隨著“減排”和總量控制的要求，污染源的監(jiān)測(cè)由單一的濃度監(jiān)測(cè)向濃度監(jiān)測(cè)與總量控制監(jiān)測(cè)并重過(guò)渡。明渠流最的精確、快速測(cè)流是一個(gè)亟待解決的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題。前人在水動(dòng)力學(xué)研究中，對(duì)明渠的流速分布、均勻紊流水力特性等有了大最的研究。Ramamurthy等采用試驗(yàn)研究了分流明渠流態(tài)和分流渠進(jìn)口上游主渠進(jìn)佛汝德數(shù)對(duì)分流量的影

7、響；胡春宏經(jīng)試驗(yàn)研究提出按流速分布特點(diǎn)將渠道斷面劃分為內(nèi)區(qū)、外區(qū)和表面區(qū)，在內(nèi)區(qū)以壁面影響為主，在外區(qū)用二次拋物線(xiàn)分布能較好地?cái)M合實(shí)際分布規(guī)律；王殿常等對(duì)垂線(xiàn)流速分布主要的兩種觀(guān)點(diǎn)對(duì)數(shù)律和尾流律作了分析和比較；王二平等對(duì)矩形斷面明渠流速沿垂線(xiàn)分布的拋物線(xiàn)公式和流速橫向分布的乘幕函數(shù)公式進(jìn)行了研究。在明渠流量測(cè)定的實(shí)際工作中，普遍采用多線(xiàn)多點(diǎn)方法。這種測(cè)0：流量方法雖然在測(cè)ft精度上滿(mǎn)足實(shí)際工作需要，但測(cè)陵工作量比較大。為此，筆者結(jié)合前人對(duì)矩形斷面明梁流速分布的理論分析與試驗(yàn)研究,應(yīng)用大址的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立明渠流量測(cè)定的代表點(diǎn)位，以提高實(shí)際明渠流酸測(cè)定精度,簡(jiǎn)化明渠流量測(cè)定工作量。1材料與方法在巴

8、歇爾槽的前段加裝和巴歇爾槽收縮段寬度一致矩形明渠，進(jìn)行明渠流量測(cè)定試驗(yàn)。選取的巴歇爾槽分別為：寬0.23m,收縮段寬度為0.58m；喉寬2.10m,收縮基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)威金攻0(51008162)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(IOJCYBJCO35OO)。作看簡(jiǎn)介蒙海濤(1982-),男，山西荔州人，中級(jí)工程師，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)效據(jù)評(píng)價(jià)和汗染源自動(dòng)監(jiān)控管理等工作。收稿日期2013-11-02段寬度為3.00m。流速測(cè)定采用SonTek/YSI公司的FlowTrack手持式ADV流速儀，為超聲波流域計(jì)。采用不同流量級(jí)與不同渠寬進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)測(cè)流速為0.51.5m/so引入無(wú)量綱相對(duì)流

9、速U/V概念，其中U為FlowTrack手持式ADV流速儀測(cè)定的實(shí)際流速，為巴歇爾槽測(cè)定數(shù)據(jù)。2結(jié)果與分析2.1監(jiān)測(cè)斷面的選擇水流進(jìn)入明渠后邊界發(fā)生變化，流體質(zhì)點(diǎn)受邊界、水壓等因素影響，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)變得雜亂無(wú)章，做湍流運(yùn)動(dòng)，流體不僅沿渠向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)還發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng),流體產(chǎn)生渦流。在無(wú)邊界變化的明渠中，隨著能量的交換,經(jīng)過(guò)一段距離，流體質(zhì)點(diǎn)速度在矢量沿線(xiàn)各點(diǎn)方向、大小均相對(duì)不發(fā)生變化。該試驗(yàn)將這一段稱(chēng)為均勻段。通過(guò)測(cè)最不確定度來(lái)估計(jì)廢水沿程流動(dòng)對(duì)流量不確定的影響，用以明渠流量監(jiān)測(cè)斷面的選擇。理論上，同一渠道每個(gè)過(guò)水?dāng)嗨嗤瑫r(shí)間通過(guò)水量是相同的，所以流量監(jiān)測(cè)中取任何斷面都是可以的。但在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，同一

10、明渠中相同流速下不同監(jiān)測(cè)斷面多次測(cè)地值之間的偏差不同。不確定度是說(shuō)明被測(cè)量值分散性的參數(shù)，它不說(shuō)明測(cè)量結(jié)果是否接近真值。不確定度值越大，同一測(cè)點(diǎn)相同流速下多次測(cè)量值之間的偏差就越大，在單次的流最監(jiān)測(cè)中,誤差就越大。測(cè)量不確定度值越小,測(cè)量值之間的偏差就越小。明渠流量監(jiān)測(cè)斷面選在測(cè)量不確定度較小的地方。引入無(wú)量綱相對(duì)流程"如匕為從廢水進(jìn)口到測(cè)點(diǎn)的距離,6為渠寬。沿明渠廢水流動(dòng)沿程中垂線(xiàn)0.56、1.06、1.56、Z06.3.06.4.06設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1），進(jìn)行流速測(cè)定。每個(gè)測(cè)點(diǎn)流速樣本不低于8個(gè)。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算:相對(duì)不確定度為:統(tǒng)計(jì)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，廢水沿程流動(dòng)方向

11、，相對(duì)不確定度和相對(duì)流程L/6呈反比，但達(dá)到一定的相對(duì)流程L/bt相對(duì)不確定度變化不大。在0.58,3.00m寬的明渠上，在相對(duì)流程0.5b的斷面上，兩個(gè)明渠的相對(duì)不確定度均為5%以上，最大值為8.6%；隨著流程的延長(zhǎng),相對(duì)不確定度逐漸減小。在3.00m寬的明渠上，在相對(duì)流程2.05的斷面上，相對(duì)不確定度達(dá)到1%，且隨著流程的延長(zhǎng)不再有明顯的變化。在0.58m寬的明渠上，在相對(duì)流程4.06的斷面上，相對(duì)不確定度達(dá)到1%，且隨著流程的延長(zhǎng)不再有明顯的變化。綜上所述，明渠流量監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)選在流速均勻段，但不同的明渠均勻段形成所需的相對(duì)流程不同，和渠的寬度有一定的關(guān)系。該研究中，在0.58m寬的明渠上

12、測(cè)fit斷面應(yīng)大于相對(duì)流程4.0b,在3.00m寬的明渠上應(yīng)大于相對(duì)流程2.0b。所以在實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，測(cè)量斷面最好選擇在渠寬4倍的距離以上，如果不滿(mǎn)足條件，可按照該研究得出的結(jié)論去應(yīng)用。2.2測(cè)垂線(xiàn)的選擇前人大址的水力學(xué)研究認(rèn)為，區(qū)內(nèi)各垂線(xiàn)流速分布均不同程度地受壁面影響，也認(rèn)為流速在橫斷面的分布上呈對(duì)稱(chēng)性，即以中垂線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)線(xiàn)。孫東坡等認(rèn)為，沿明渠橫斷面的邊壁區(qū)與中心區(qū)，測(cè)線(xiàn)平均流速還是連續(xù)變化并與某橫向位置有關(guān);邊壁區(qū)變化大些，中心區(qū)變化小些。在實(shí)際測(cè)最中，大多數(shù)人會(huì)選擇以明渠1/2的渠面上均勻布置垂線(xiàn)。張澤宏等認(rèn)為，考慮到明渠流量中渠道一般具有規(guī)則性（矩形或梯形），除去側(cè)邊的兩條垂線(xiàn)應(yīng)盡量

13、靠邊以減少波形系數(shù)帶來(lái)的測(cè)量誤差外,其他垂線(xiàn)之間的距離應(yīng)均勻分布。在大量的實(shí)際試驗(yàn)操作中,不論在0.58m還是在3.00m的明渠上，距離渠壁0.10m以?xún)?nèi)的不適宜作為流速的測(cè)點(diǎn)。不論是選為轉(zhuǎn)子流速儀還是超聲波流速儀，空間的物理因素對(duì)流速的影響特別大，超聲波回波的監(jiān)測(cè)點(diǎn)大多都在10cm,并且儀器本身的支架、結(jié)構(gòu)等具有一定的形狀和大小。所以在實(shí)際監(jiān)測(cè)中第一條垂線(xiàn)應(yīng)選擇在10cm外。明渠實(shí)際流速的橫向分布如圖2所示。在3.00m渠上,0.60m的內(nèi)垂線(xiàn)上的流速變化明顯，且小于平均值，在渠的中心位置流速達(dá)到最大值。大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以得出，在W3.00m的明渠上，取3條垂線(xiàn)就可以代表平均值。測(cè)點(diǎn)距渠壁&g

14、t;10cm為第1條垂線(xiàn)，在0.1+（0.56-0.lm）/20.5b的范圍內(nèi)平均設(shè)另外兩條垂線(xiàn)。綜上所述，明渠橫向流速的分布對(duì)邊壁區(qū)影響較大，對(duì)中心區(qū)影響較小，且沿中垂線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。2.3監(jiān)測(cè)水深的選擇前人大量的水力學(xué)研究表明，光滑壁面明渠均勻紊流中，沿水深方向流動(dòng)具有明顯的分區(qū)結(jié)構(gòu)。張澤宏等認(rèn)為，在水深0.40-0.60m水深的明渠上應(yīng)選擇1個(gè)測(cè)點(diǎn)，在0.601.00m應(yīng)選擇23個(gè)測(cè)點(diǎn)，在1.00-3.00m應(yīng)選擇5個(gè)測(cè)點(diǎn)。該研究引入無(wú)髭綱相對(duì)深度的概念y/h,y為測(cè)點(diǎn)的水深,人為明渠的水深。分析在水深入為0.50-1.00m的明渠上同一條垂線(xiàn)上不同深度試驗(yàn)所測(cè)的大量流速值，對(duì)和y/h值進(jìn)行擬合

15、，可以得出圖3。從圖3可以看出，在水深龍為0.401.00m的明渠中,y=0.4A處測(cè)點(diǎn)流速為該條垂線(xiàn)上的平均值。這個(gè)結(jié)論與董曾南等得出明渠均勻紊流中斷面平均流速點(diǎn)在：T=0.36/相接近。從圖3還可以看出，最大的流速并不在廢水的表面，而在水深0.70.8凡。同時(shí)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總發(fā)現(xiàn),3點(diǎn)法測(cè)量和在y=0.4h測(cè)定的值更接近,大多數(shù)數(shù)據(jù)2點(diǎn)法略小于3點(diǎn)法。綜上所述，該研究在監(jiān)測(cè)水深的選擇上的結(jié)論為：在>=0.40A處作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在水流波動(dòng)較大的水中，也可以選擇應(yīng)用0.20h、0.60力和0.80A的3點(diǎn)法，不建議選擇0.20h和0.8入的2點(diǎn)法。圖3“/y與g/方擬合曲線(xiàn)（下轉(zhuǎn)第1370

16、5頁(yè)）圖3入湖河流顆粒有機(jī)質(zhì)對(duì)青海湖湖體的貢獻(xiàn)率粒有機(jī)質(zhì)碳同位素值最大,與其他3條河流形成明顯的差別。這說(shuō)明，布哈河的顆粒有機(jī)質(zhì)來(lái)源與其他3條河流可能不同。穩(wěn)定性碳同位素通常作為營(yíng)養(yǎng)源的示蹤劑lu-*21,綜合分析布哈河中顆粒有機(jī)質(zhì)碳同位素組成，可推測(cè):其顆粒有機(jī)質(zhì)多來(lái)自于自身水體中水生植物的殘?bào)w或分解物。然而，其他3條河流的顆粒有機(jī)質(zhì)來(lái)源可能在很大程度上受到陸源有機(jī)質(zhì)輸入的影響。因?yàn)橐延械难芯勘砻?，環(huán)青海湖地區(qū)的植物類(lèi)群主要以C3植物為主，而C3植物S,3C值一般較低。采取合適的步長(zhǎng)和容忍度，用IsoSource軟件計(jì)算出了青海湖湖體顆粒有機(jī)質(zhì)的來(lái)源。結(jié)果表明，布哈河的貢獻(xiàn)率最大,超出了5

17、0%，這也與布哈河的流域面積是相符合的。布哈河作為青海湖流域最大的入湖河流，對(duì)青海湖顆粒有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)理應(yīng)是最大的。當(dāng)然,其他入湖河流的貢獻(xiàn)也不能小覷。但由于流量的限制以及有機(jī)質(zhì)含量等原因，倒淌河、泉吉河和沙柳河對(duì)青海湖湖體顆粒有機(jī)質(zhì)的頁(yè)獻(xiàn)是有限的C然而,IsoSouKe軟件的估算是基于穩(wěn)定性同位素的質(zhì)量平衡原理進(jìn)行的"網(wǎng)，同位素組成的變化會(huì)影響運(yùn)算的結(jié)果。環(huán)湖河流同位素組成是否存在時(shí)空的巨大變化還不得而知。因此，今后大范圍的取樣以及長(zhǎng)時(shí)間序列上采集同位素信息，可進(jìn)一步完善該試驗(yàn)的結(jié)果。參考文獻(xiàn)吳豐昌，王立英，黎文，等.天然有機(jī)質(zhì)及其在地表環(huán)境中的重要性J】.湖尚特,2008(20):

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