面積流速儀在明渠流量監(jiān)測中的應(yīng)用.docx

1、面積流速儀在明渠流量監(jiān)測中的應(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)測中心，天津300191；2.南開大學(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)，定立明栗流量測定的代表斷面、代表蚤線和代表水深，可以提高實(shí)際明渠流量測定精度，筒化明渠流量測定工作量。結(jié)果表明：實(shí)際流量監(jiān)測中，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，需要的相對流程越短;越宰，相對流程越長。監(jiān)測水深時，在r=0.4A處作為監(jiān)溯點(diǎn)，在水波波動枝大的水中，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)測垂線的選擇為：在W3.0m的明渠上，一莪取3條垂線就可以代表平均值，第1條垂線選擇應(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。關(guān)鍵憫面積流速儀;明果；流量監(jiān)測中圖分類號文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章細(xì)號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)測由單一的濃度監(jiān)測向濃度監(jiān)測與總量控制監(jiān)測并重過渡。明渠流最的精確、快速測流是一個亟待解決的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)問題。前人在水動力學(xué)研究中，對明渠的流速分布、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)用二次拋物線分布能較好地?cái)M合實(shí)際分布規(guī)律；王殿常等對垂線流速分布主要的兩種觀點(diǎn)對數(shù)律和尾流律作了分析和比較；王二平等對矩形斷面明渠流速沿垂線分布的拋物線公式和流速橫向分布的乘幕函數(shù)公式進(jìn)行了研究。在明渠流量測定的實(shí)際工作中，普遍采用多線多點(diǎn)方法。這種測0：流量方法雖然在測ft精度上滿足實(shí)際工作需要，但測陵工作量比較大。為此，筆者結(jié)合前人對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)，建立明渠流量測定的代表點(diǎn)位，以提高實(shí)際明渠流酸測定精度,簡化明渠流量測定工作量。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)。作看簡介蒙海濤(1982-),男，山西荔州人，中級工程師，從事環(huán)境監(jiān)測效據(jù)評價和汗染源自動監(jiān)控管理等工作。收稿日期2013-11-02段寬度為3.00m。流速測定采用SonTek/YSI公司的FlowTrack手持式ADV流速儀，為超聲波流域計(jì)。采用不同流量級與不同渠寬進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)測流速為0.51.5m/so引入無量綱相對流

9、速U/V概念，其中U為FlowTrack手持式ADV流速儀測定的實(shí)際流速，為巴歇爾槽測定數(shù)據(jù)。2結(jié)果與分析2.1監(jiān)測斷面的選擇水流進(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)動變得雜亂無章，做湍流運(yùn)動，流體不僅沿渠向進(jìn)行運(yùn)動還發(fā)生橫向運(yùn)動,流體產(chǎn)生渦流。在無邊界變化的明渠中，隨著能量的交換,經(jīng)過一段距離，流體質(zhì)點(diǎn)速度在矢量沿線各點(diǎn)方向、大小均相對不發(fā)生變化。該試驗(yàn)將這一段稱為均勻段。通過測最不確定度來估計(jì)廢水沿程流動對流量不確定的影響，用以明渠流量監(jiān)測斷面的選擇。理論上，同一渠道每個過水?dāng)嗨嗤瑫r間通過水量是相同的，所以流量監(jiān)測中取任何斷面都是可以的。但在實(shí)際監(jiān)測中，同一

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

11、，相對不確定度和相對流程L/6呈反比，但達(dá)到一定的相對流程L/bt相對不確定度變化不大。在0.58,3.00m寬的明渠上，在相對流程0.5b的斷面上，兩個明渠的相對不確定度均為5%以上，最大值為8.6%；隨著流程的延長,相對不確定度逐漸減小。在3.00m寬的明渠上，在相對流程2.05的斷面上，相對不確定度達(dá)到1%，且隨著流程的延長不再有明顯的變化。在0.58m寬的明渠上，在相對流程4.06的斷面上，相對不確定度達(dá)到1%，且隨著流程的延長不再有明顯的變化。綜上所述，明渠流量監(jiān)測斷面應(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fit斷面應(yīng)大于相對流程4.0b,在3.00m寬的明渠上應(yīng)大于相對流程2.0b。所以在實(shí)際監(jiān)測應(yīng)用中，測量斷面最好選擇在渠寬4倍的距離以上，如果不滿足條件，可按照該研究得出的結(jié)論去應(yīng)用。2.2測垂線的選擇前人大址的水力學(xué)研究認(rèn)為，區(qū)內(nèi)各垂線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稱性，即以中垂線為對稱線。孫東坡等認(rèn)為，沿明渠橫斷面的邊壁區(qū)與中心區(qū)，測線平均流速還是連續(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)際測最中，大多數(shù)人會選擇以明渠1/2的渠面上均勻布置垂線。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)邊的兩條垂線應(yīng)盡量

13、靠邊以減少波形系數(shù)帶來的測量誤差外,其他垂線之間的距離應(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以內(nèi)的不適宜作為流速的測點(diǎn)。不論是選為轉(zhuǎn)子流速儀還是超聲波流速儀，空間的物理因素對流速的影響特別大，超聲波回波的監(jiān)測點(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)測中第一條垂線應(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條垂線就可以代表平均值。測點(diǎn)距渠壁&g

14、t;10cm為第1條垂線，在0.1+（0.56-0.lm）/20.5b的范圍內(nèi)平均設(shè)另外兩條垂線。綜上所述，明渠橫向流速的分布對邊壁區(qū)影響較大，對中心區(qū)影響較小，且沿中垂線對稱。2.3監(jiān)測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個測點(diǎn)，在0.601.00m應(yīng)選擇23個測點(diǎn)，在1.00-3.00m應(yīng)選擇5個測點(diǎn)。該研究引入無髭綱相對深度的概念y/h,y為測點(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上不同深度試驗(yàn)所測的大量流速值，對和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處測點(diǎn)流速為該條垂線上的平均值。這個結(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。同時大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總發(fā)現(xiàn),3點(diǎn)法測量和在y=0.4h測定的值更接近,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)測水深的選擇上的結(jié)論為：在>=0.40A處作為監(jiān)測點(diǎn)，在水流波動較大的水中，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（下轉(zhuǎn)第1370

16、5頁）圖3入湖河流顆粒有機(jī)質(zhì)對青海湖湖體的貢獻(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。這說明，布哈河的顆粒有機(jī)質(zhì)來源與其他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:其顆粒有機(jī)質(zhì)多來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、泉吉河和沙柳河對青海湖湖體顆粒有機(jī)質(zhì)的頁獻(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影響運(yùn)算的結(jié)果。環(huán)湖河流同位素組成是否存在時空的巨大變化還不得而知。因此，今后大范圍的取樣以及長時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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