明渠特性分類及測量方法

明渠是一種具有自由表面（表面上各點受大氣壓強的作用）水流的渠道。根據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、運河及未充滿水流的管道等。

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

一．特性

明渠的特性有三點：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。

根據這個特性我們可以知道除了平時的河道和人工運河外，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

按照運動要素是否隨時間變化，明渠可分為明渠恒定流和明渠非恒定流。

按照運動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。

以上三個分級標準可以任意搭配，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，不可能產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的量水設備，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斷面并控制水流，利用水流通過過水斷面狹窄的部分時出現的穩定的水位流量關系來計算流量，因為在這種情況下，水流會形成緩流到急流的過渡即臨界流，從而在槽前構成穩定的水位流量關系。

(2)水位流量關系法

在一些天然河流斷面上，經實測證明具有穩定的水位流量關系。一些閘門、涵洞的上游水位和流量關系也很穩定，就可以直接用測量  水位的方法測量流量。水位流量關系法可分為液位流速演算式法、噴嘴流量計法。

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式，測量流動的管渠水位以求取流量的一種方法。

噴嘴流量計法：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。

水位流量關系式法的明顯優點是造價低，阻力損失小且不易形成沉積物，而明顯的缺點是測量精度低，且其精度受糙率的影響較大，在糙率變化較大的區域，其測量精度會進一步降低。

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、線或小面積）流速，用這些流速來計算過水斷面的平均流速，再測量水位求得過水斷面面積，后用過水斷面的平均流速乘以過水斷面面積求取流量。

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（旋漿或旋環流速計+水位計）、電磁感應法（電磁流速計+水位計）、超聲波測流法（超聲流速計+水位計）。其它還有稀釋法、漂浮物法、動船法等。

(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斷面上某幾個點的流速，再根據斷面流速分布公式計算其斷面平均流速及流量。在測量流速時，要使流速儀在水中保持水平狀態，并且使它的長軸線平行水流方向，在局部渦流的影響下，在流速儀扭轉不大的情況下都可以使用該方法。該方法被認為是準確的明渠流量測量方法，一直被認為是明渠流量信息的準確來源。其流速測量方法主要有一點法、兩點法、三點法、五點法、六點法、十一點法等。

(2)電磁感應法

該方法先將一個線圈橫埋在河床或橋底部，構成一個過水的磁場。按法拉第電磁感應定律，當水流穿過一個垂直磁場，電磁感應在河流兩岸之間形成小電勢。所產生的電勢與河寬、磁場和斷面平均流速成正比。通過平均流速和過水斷面面積的乘積得到流量。

(3)超聲波測流法

該方法是在河的兩岸用換能器同時朝著兩個方向發射穿透水體的脈沖信號測量聲波在水中的傳播速度，或是將兩個換能器安裝在同一河岸，在另一河岸設置反射器或轉換器。換能器的安裝位置應使發出的脈沖在一個方向是逆水傳播，在另一個方向是順水傳播。這兩個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。該速度又可同整個斷面的平均流速建立關系，以此推求流量。

流速面積法有很多優點，由于其測量的量不僅有水位還有流速，所以在水流不穩定的情況下，其測量的精度較建筑物測流法要高，如果過水斷面的流速分布公式研究的夠成熟，其精度夠高，在流體一定的情況下，如果流量和過水斷面的糙率也一定，那么我們就可以得出整個過水斷面的水位及流速分布。反之，如果再加上流速測量也有相當精度的話，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

該方法是選定測驗渠段，確定其平均過水斷面的面積，測定該渠段的水面比降，然后通過采用己知的經驗公式來確定平均流速。所采用的經驗公式表達了流速與水力半徑、經過水流動能改正的水面比降以及河床和河床質特性的關系。平均流速與平均過水斷面乘積即是流量。

雖然比降面積法沒有流速—面積法直接測量渠道流量，但是當流速—面積法不可能應用時的某些特殊情況下，此方法是可行的。用于在穩定邊界和河床質較粗的河流，以及對有限的溢流漫灘或斷面不均勻的沖積層河流，應用該方法可具有一定的精度。特別是遇到特大洪水流量時不可能應用別的測驗方法，為了確定水位流量關系曲線，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。在己知時段間隔的兩個不同時刻，對蓄水體的水位和水面面積進行施測。用蓄水增量或者泄量除以己知的時段可求出平均流量。

相對來講，以上兩種方法均較粗略，不適用于明渠流量的準確測量。