明渠特性分類及測量方法

明渠是一種具有自由表面（表面上各點(diǎn)受大氣壓強(qiáng)的作用）水流的渠道。根據(jù)它的形成可分為天然明渠和人工明渠。前者如天然河道；后者如人工輸水渠道、運(yùn)河及未充滿水流的管道等。

明渠流動(dòng)是水流的部分周界與大氣接觸具有自由表面的流動(dòng)。由于自由表面上相對(duì)壓強(qiáng)為零，又稱為無壓流動(dòng)。

一．特性

明渠的特性有三點(diǎn)：水面一定與大氣接觸；且水位及流量跟隨橫斷面的變化而變化；后就是水流方向由重力決定，由高向低的方向流動(dòng)。

根據(jù)這個(gè)特性我們可以知道除了平時(shí)的河道和人工運(yùn)河外，由于排水管道的水流并未充滿管道，所以這些都屬于明渠。

二．明渠分類

按照運(yùn)動(dòng)要素是否隨時(shí)間變化，明渠可分為明渠恒定流和明渠非恒定流。

按照運(yùn)動(dòng)要素是否隨流程變化，明渠可分為明渠均勻流和明渠非均勻流。

按照變化的緩急程度，明渠可分為明渠急變流和明渠漸（緩）變流。

以上三個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以任意搭配，比如：明渠非恒定非均勻漸變流。

注意：不存在明渠非恒定均勻流。（當(dāng)然也就不存在明渠非恒定均勻漸變流和急變流），原因是：水面有波動(dòng)，不可能產(chǎn)生明渠非恒定均勻流。

三．流量測量

1.建筑物測流法

(1)堰槽法

堰槽法是一種比較傳統(tǒng)的量水設(shè)備，主要有薄壁堰、寬頂堰、梯形剖面堰、三角剖面堰、平坦型堰、長喉道槽、短喉道槽包括巴歇爾槽和孫奈利槽以及無喉道槽等。

堰槽法的基本原理是讓水流通過束縮的過水?dāng)嗝娌⒖刂扑鳎盟魍ㄟ^過水?dāng)嗝妾M窄的部分時(shí)出現(xiàn)的穩(wěn)定的水位流量關(guān)系來計(jì)算流量，因?yàn)樵谶@種情況下，水流會(huì)形成緩流到急流的過渡即臨界流，從而在槽前構(gòu)成穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。

(2)水位流量關(guān)系法

在一些天然河流斷面上，經(jīng)實(shí)測證明具有穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。一些閘門、涵洞的上游水位和流量關(guān)系也很穩(wěn)定，就可以直接用測量  水位的方法測量流量。水位流量關(guān)系法可分為液位流速演算式法、噴嘴流量計(jì)法。

液位流速演算式法：利用非滿管或明渠自由表面自然流下液體的液水位和平均流速間的函數(shù)式，測量流動(dòng)的管渠水位以求取流量的一種方法。

噴嘴流量計(jì)法：一種開式噴嘴裝于非滿管排放口，測量噴嘴上游水位求取流量。一種開式噴嘴裝在圓形暗渠排放口，下游液位必須低于噴嘴高程，形成自由排放。

水位流量關(guān)系式法的明顯優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，阻力損失小且不易形成沉積物，而明顯的缺點(diǎn)是測量精度低，且其精度受糙率的影響較大，在糙率變化較大的區(qū)域，其測量精度會(huì)進(jìn)一步降低。

2.流速面積法

流速面積法的原理就是測出過流斷面某些局部（點(diǎn)、線或小面積）流速，用這些流速來計(jì)算過水?dāng)嗝娴钠骄魉伲贉y量水位求得過水?dāng)嗝婷娣e，后用過水?dāng)嗝娴钠骄魉俪艘赃^水?dāng)嗝婷娣e求取流量。

按照流速測量方法的不同流速面積法主要可分為流速儀法（旋漿或旋環(huán)流速計(jì)+水位計(jì)）、電磁感應(yīng)法（電磁流速計(jì)+水位計(jì)）、超聲波測流法（超聲流速計(jì)+水位計(jì)）。其它還有稀釋法、漂浮物法、動(dòng)船法等。

(1)流速儀法

該方法通常使用旋漿流速儀和旋杯流速儀測定過水?dāng)嗝嫔夏硯讉€(gè)點(diǎn)的流速，再根據(jù)斷面流速分布公式計(jì)算其斷面平均流速及流量。在測量流速時(shí)，要使流速儀在水中保持水平狀態(tài)，并且使它的長軸線平行水流方向，在局部渦流的影響下，在流速儀扭轉(zhuǎn)不大的情況下都可以使用該方法。該方法被認(rèn)為是準(zhǔn)確的明渠流量測量方法，一直被認(rèn)為是明渠流量信息的準(zhǔn)確來源。其流速測量方法主要有一點(diǎn)法、兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法、五點(diǎn)法、六點(diǎn)法、十一點(diǎn)法等。

(2)電磁感應(yīng)法

該方法先將一個(gè)線圈橫埋在河床或橋底部，構(gòu)成一個(gè)過水的磁場。按法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)水流穿過一個(gè)垂直磁場，電磁感應(yīng)在河流兩岸之間形成小電勢。所產(chǎn)生的電勢與河寬、磁場和斷面平均流速成正比。通過平均流速和過水?dāng)嗝婷娣e的乘積得到流量。

(3)超聲波測流法

該方法是在河的兩岸用換能器同時(shí)朝著兩個(gè)方向發(fā)射穿透水體的脈沖信號(hào)測量聲波在水中的傳播速度，或是將兩個(gè)換能器安裝在同一河岸，在另一河岸設(shè)置反射器或轉(zhuǎn)換器。換能器的安裝位置應(yīng)使發(fā)出的脈沖在一個(gè)方向是逆水傳播，在另一個(gè)方向是順?biāo)畟鞑ァ＿@兩個(gè)超聲波速度之間的差值與該換能器所在高程上水流的速度有關(guān)。該速度又可同整個(gè)斷面的平均流速建立關(guān)系，以此推求流量。

流速面積法有很多優(yōu)點(diǎn)，由于其測量的量不僅有水位還有流速，所以在水流不穩(wěn)定的情況下，其測量的精度較建筑物測流法要高，如果過水?dāng)嗝娴牧魉俜植脊窖芯康膲虺墒欤渚葔蚋撸诹黧w一定的情況下，如果流量和過水?dāng)嗝娴牟诼室惨欢ǎ敲次覀兙涂梢缘贸稣麄€(gè)過水?dāng)嗝娴乃患傲魉俜植肌７粗绻偌由狭魉贉y量也有相當(dāng)精度的話，我們就可以用所測得的流速及水位來反演糙率及流量，用這種方式算得的流量考慮到了糙率的影響，在糙率變化的情況下，其精度就要高于建筑物測流法。

3.其他方法

(1)比降面積法

該方法是選定測驗(yàn)渠段，確定其平均過水?dāng)嗝娴拿娣e，測定該渠段的水面比降，然后通過采用己知的經(jīng)驗(yàn)公式來確定平均流速。所采用的經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)了流速與水力半徑、經(jīng)過水流動(dòng)能改正的水面比降以及河床和河床質(zhì)特性的關(guān)系。平均流速與平均過水?dāng)嗝娉朔e即是流量。

雖然比降面積法沒有流速—面積法直接測量渠道流量，但是當(dāng)流速—面積法不可能應(yīng)用時(shí)的某些特殊情況下，此方法是可行的。用于在穩(wěn)定邊界和河床質(zhì)較粗的河流，以及對(duì)有限的溢流漫灘或斷面不均勻的沖積層河流，應(yīng)用該方法可具有一定的精度。特別是遇到特大洪水流量時(shí)不可能應(yīng)用別的測驗(yàn)方法，為了確定水位流量關(guān)系曲線，比降面積法是可采用的方法。

(2)容積法

這種方法適用于因水流而引起的水位及蓄水量的變化情況。在己知時(shí)段間隔的兩個(gè)不同時(shí)刻，對(duì)蓄水體的水位和水面面積進(jìn)行施測。用蓄水增量或者泄量除以己知的時(shí)段可求出平均流量。

相對(duì)來講，以上兩種方法均較粗略，不適用于明渠流量的準(zhǔn)確測量。