DB41T 1974-2020 流量在线自动监测规范

ICS17.120P55DB41河南省市场监督管理局发布IDB41/T1974—2020前言 12规范性引用文件 13术语和定义 14总则 15流速测量 26流量测验 3 58误差来源与控制措施 69数据采集与处理 6附录A（规范性附录）垂线平均流速分布模型推流 7附录B（规范性附录）水工建筑物法、堰槽测流法及矩形渠道末端深度法 9附录C（规范性附录）代表流速法参数率定及流量计算方法 附录D（规范性附录）监测数据成果表和数据库表结构 DB41/T1974—2020本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本标准由河南省水利厅提出并归口。本标准起草单位：河南省水文水资源局、河南省信阳水文水资源勘测局、河南省驻马店水文水资源勘测局、河南省焦作水文水资源勘测局、河南省许昌水文水资源勘测局、河南省三门峡水文水资源勘测局、河南省郑州水文水资源勘测局、焦作市水利勘测设计院。本标准主要起草人：李斌成、王鸿杰、贺旭东、宾予莲、杜付然、薜运宏、李鹏、王冬至、姚广华、郭二旺、黄振离、游巍亭、焦迎乐、陈宏立、王冰、司文青、陈楠、李继成、潘洪涛、孟春丽、郑仕强、上官宗光、周迎颍、赵志鹏、谈兵、陶新红、周相丽、吕晶晶、杨启先。1DB41/T1974—2020流量在线自动监测规范本标准规定了流量在线自动监测的总则、流速测量、流量测验、比测、误差来源与控制措施、数据采集与处理。本标准适用于河流、渠道水文断面的流量在线自动监测。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB14050系统接地的形式及安全技术要求GB/T50095水文基本术语和符号标准GB/T50138水位观测标准GB50179河流流量测验规范SL195水文巡测规范SL537水工建筑物与堰槽测流规范SL651水文监测数据通信规约3术语和定义GB/T50095界定的术语和定义适用于本文件。4总则4.1一般规定4.1.1设置流量在线自动监测系统，所采用的技术方法和设备类型，应满足以下条件：a)基于测验条件的适用性；b)基于监测目的的有效性；c)基于精度要求的可靠性。4.1.2选择测验河段应符合GB50179的规定。4.1.3选择流速基本不受影响的位置安装流速传感器。4.1.4水道断面测量应符合GB50179的规定。4.2方法选择4.2.1垂线平均流速分布模型法。适用于规则或常见几何形状的明渠断面，采用一条测速垂线的平均流速，推算出断面上其他垂线平均流速，进而推算断面流量，见附录A。2DB41/T1974—20204.2.2水工建筑物法。适用于自由堰流或自由孔流的水工建筑物，采用水位、闸门开启高度等水力因素，经率定分析或经验公式确定流量系数，由工作曲线（拟合方程）计算流量。具体要求应符合SL537的规定。4.2.3堰槽测流法。采用上游水头，经率定分析或经验公式确定流量系数，由工作曲线（拟合方程）计算流量。具体要求应符合SL537和附录B的规定。4.2.4末端深度法。适用于在渠底水平或平缓倾斜，渠底末端有跌坎，可形成自由射流的渠道。通过测量末端水深可计算流量。具体要求应符合SL537和附录B的规定。4.2.5代表流速法。适用于具有稳定的断面流速分布规律的断面，通过建立断面平均流速与代表垂线平均流速之间的相关关系，用代表垂线的平均流速推算断面平均流速进而推算断面流量。可采用垂向声学多普勒流速剖面仪或其他方法，具体要求应符合GB50179、SL195和附录C的规定。4.2.6水位流量单值线法。适用于水位流量关系单一、精度满足要求的断面。4.2.7电波（视频）测速法。适用于受风力影响较小、流速较大、满足浮标测流条件的断面。具体要求应符合GB50179、SL195的规定。4.3安装要求4.3.1明渠流量在线自动监测断面应安装自动监测水位传感器，水位传感器的安装应符合GB/T50138规定。4.3.2流速设备的安装位置不得影响通航。4.3.3水下流速传感器应安装防护装置。4.3.4系统应具备良好的接地和避雷措施，安全措施应符合GB14050的规定。4.3.5流速传感器安装方式应便于检修维护。4.3.6信号线、电源线的布设应满足防水要求，电缆、信号线及管路应标识清晰。5流速测量5.1测量要求5.1.1根据断面情况，设置仪器工作参数。5.1.2根据流速传感器工作状态，确定采样数据有效性。5.1.3宜采用具有测量剖面垂线流速功能的流速传感器，直接测量垂线流速。5.1.4流速传感器流速测量时间应不少于100s。5.1.5流量计算模型采用的垂线数目和垂线位置应能控制断面形状变化和流速横向变化分布的转折5.1.6接触式流速传感器垂向顶部盲区流速应根据流速垂线分布特征，选用指数流速分布、常数流速分布或经过分析的其他流速分布合理插补。5.2计算方法5.2.1实测垂线平均流速计算应符合GB50179的规定。5.2.2采用一条实测垂线平均流速的垂线平均流速分布模型，根据大断面形状，推算出断面上任一条垂线的平均流速，计算出断面流量，应采用公式（1）、公式（2）计算。…………………⑴3DB41/T1974—2020⑵式中： (i)——计算的任意垂线i处垂线平均流速，单位为米每秒（m/s）；kc(i)——垂线影响系数，测速垂线k对垂线i的影响系数。该系数可以通过实测资料率定，也可以通过大断面形状推算，见附录A。对于宽浅河道，该值可取1；kv——测速垂线动力系数；hk——垂线k处水深，单位为米（m）；Vk——垂线k实测垂线平均流速，单位为米每秒（m/sh(i)——垂线i处水深，单位为米（m）。5.2.3代表垂线法断面平均流速应采用公式（3）计算。…………………⑶式中：V——断面平均流速，单位为米每秒（m/sk——系数；v——实测代表垂线平均流速，单位为米每秒（m/s）。5.2.4采用单点电波测速法，可用水面流速系数乘实测水面点流速，得垂线平均流速，再采用垂线平均流速分布模型计算各垂线平均流速，或采用代表垂线法计算断面平均流速，垂线平均流速应采用公式（4）计算。v=k1v'…………………⑷式中：v——垂线平均流速，单位为米每秒（m/sk1——水面流速系数；v'——实测水面流速，单位为米每秒（m/s）。5.2.5采用多点或流场的电波（视频）测速法，计算应符合GB50179的规定。6流量测验6.1一般规定6.1.1相应水位采用流速测验时段平均水位。6.1.2代表垂线法采用的过水面积用水位～断面面积关系计算。6.2计算方法6.2.1采用部分流速面积计算断面流量应符合GB50179的规定。4DB41/T1974—20206.2.2采用水位流量单值线法计算流量时，可建立水位～流量关系或采用插值方法，由水位推算过水断面流量。6.2.3自由堰流流量应采用公式（5）计算。Q=C0nb…………………⑸式中：Q——流量，单位为立方米每秒（m3/s）；C0——含侧收缩系数和进口流态系数的流量系数；n——过水孔数；b——堰口单孔宽，单位为米（m）；g——重力加速度，单位为米每平方秒（m/s2H——总水头，单位为米（m）。6.2.4自由孔流流量应采用公式（6）计算。…………………⑹式中：μ——自由孔流流量系数；e——闸门开启高度，单位为米（m）。6.2.5无侧收缩矩形薄壁堰流量应采用公式（7）计算。e3…………………⑺式中：CD——流量系数，系数选用见附录B；he有效水深，单位为米（m）。6.2.6矩形河槽三角形剖面堰流量应采用公式（8）计算。Q=CDCvCsCf………………(8)式中：Cv——行近流速系数；Cs——形状系数，矩形河槽Cs为1；Cf——淹没系数；h——实测水头，单位为米（m以上系数选用见附录B。6.2.7矩形河槽中平坦V形堰的流量应采用公式（9）计算。Q=0.8CDCvCsCf2………………5DB41/T1974—2020式中：Cv——行近流速系数；Cs——形状系数；以上参数选见附录B。6.2.8巴歇尔槽自由流流量应采用公式（10）计算。Q=CDbhn…………………(10)式中：b——喉道宽，单位为米（m）；h——上游（入流断面）实测水头，单位为米（m）；n——由b而定的指数；以上系数选用见附录B。6.2.9矩形渠道末端深度法流量应采用公式（11）计算。Q=CDbhe3/2………………(11)式中：b——渠道宽，单位为米（m）；he——末端水深，单位为米（m以上系数选用见附录B。7.1一般规定在设备正式投入运行之前，应对流速或流量进行比测，比测结果满足断面测验精度要求后，可投入运行。7.2方法选择7.2.1采用流速面积法计算流量的应比测流速和流量，其他方法推算流量的应比测流量。7.2.2流速或流量比测以转子式流速仪或走航式声学多普勒剖面仪为基准进行比测。使用转子式流速仪施测并利用垂线流速分布模型推流，应采用精测法。7.3测次分布及数量7.3.1比测测次宜分布在高水、中水、低水。7.3.2比测次数应不少于30次。8误差来源与控制措施8.1误差来源8.1.1流速传感器安装姿态误差。6DB41/T1974—20208.1.2仪器检定误差。8.1.3施测流速外界干扰误差。8.1.4水位、闸门开启高度误差。8.1.5断面面积误差。8.1.6流速计算模型误差。8.1.7率定参数产生的误差。8.2控制措施8.2.1水位传感器、流速传感器、闸位计应定期检查和校准。8.2.2水道断面有变化时应及时测量。8.2.3每年流量校测不少于3次。9数据采集与处理9.1数据采集9.1.1采集传感器应具备模拟量或数字量、标准串行口等接口与上位机通信。9.1.2采集传感器输入电压范围DC5V～24V。9.1.3系统应能实时显示传感器和其他辅助设备的工作状态和故障报警信息。9.2数据传输9.2.1报文帧结构应符合SL651的规定。9.2.2系统应支持远程参数设置功能。9.2.3系统应具备远程时钟同步功能。9.2.4报文数据应采用校验、加密算法进行传输。9.2.5通信中断时，前端设备应具有独立采集和365d数据储存能力。9.2.6通信恢复后，断点数据自动上传。9.3数据存储及成果输出9.3.1后端处理系统应具有水文要素原始数据存储功能，存储格式见附录D。9.3.2后端处理系统应具有输出原始数据及监测成果的功能，监测成果输出格式见附录D，原始数据应包含监测成果所列内容，并提供导出纯文本文件格式的功能。7DB41/T1974—2020（规范性附录）垂线平均流速分布模型推流A.1无实测流量资料垂线影响系数确定A.1.1对于横断面相对平坦、质地均匀的U形河道断面，垂线影响系数可取1。A.1.2对于断面形状多变的V形断面或质地有差异的河道断面，可根据质地、水草分布等情况，由起点距各处的经验糙率及断面斜率推求，见图A.1垂线平均流速分布示意图，采用公式（A.1）计算。iVV测速垂线Vinn，kf图A.1垂线平均流速分布示意图………（A.1）式中：kc(i)——测速垂线对垂线i的影响系数；n——流速垂线处河床糙率；n(i)——垂线i处河床糙率；kf测速垂线处大断面斜率；kf(i)垂线i处大断面斜率。A.2有实测流量资料断面垂线影响系数率定采用最小标准差法计算垂线影响系数：8DB41/T1974—2020待率定垂线i和测速垂线有n次实测垂线平均流速vi(j)，v(j)（j=1,2,…n第j测次待率定垂线和 测速垂线水深分别为hi(j)，h(j)，各测次动力因子，令kc=0.5+0.01l（l=0,1,2,…，100;j=1,2,…n）则垂线i第j测次计算垂线平均流速为（l=0,1,2,…，100;j=1,2,…n）。j测次的流速计算误差为0,1,2,…，100;j=1,2,…nn个测次的标准差为在101个kc中，总有一个值使标准差δi(l)最小，那么这个kc(j)(l)值，即为测速垂线对垂线i的影响系数。9DB41/T1974—2020（规范性附录）水工建筑物法、堰槽测流法及矩形渠道末端深度法B.1水工建筑物法B.2堰槽测流法B.2.1方法适用适用于不含大量漂浮物及泥沙的小型河道和渠道。B.2.2无侧收缩矩形薄壁堰流量系数用公式（B.1）计算，有效水深用公式（B.2）计算。………(B.1)………(B.2)P——堰高，单位为米（m）。B.2.3矩形河槽三角形剖面堰B.2.3.1流量系数可根据水头从表B.1中查得。表B.1矩形河槽三角形剖面堰流量系数h/mCDh/mCDB.2.3.2淹没系数Cf自由流时为1。B.2.3.3行近流速系数CV根据A=CDbh/b(h+p)的值进行判断，见表B.2。表B.2矩形河槽三角形剖面堰行近流速系数CVAACVDB41/T1974—2020表B.2（续）AACVB.2.3.4应用限制条件h/P≤3.5,b/h≥2.0，hp/H≤0.24；P≥0.06m；b≥0.30m；金属堰缘的堰顶，h≥0.03m；混凝土抹面的堰顶，h≥0.06m。注2：H——堰上游总水头。B.2.4矩形河槽平坦V形堰B.2.4.1流量系数用公式（B.3）计算。………（B.3）………（B.3）B.2.4.2行近流速系数用公式（B.4）计算。………（B.4）………（B.4）其中：（B.5）（B.5）（B.8）当h≤Pv时，（B.8）S=1-其中：he=h-KhDB41/T1974—2020…………（B.9）当Y1≥0.08时，用Cv0.4he代替he计算Cs………（B.10）B.2.4.4淹没系数用公式（B.11）计算。Cf=1.0780.909-0.183…………其中：hpe=hp-Kh…………（B.12）B.2.4.5平坦V形堰的应用限制及流量系数见表B.3。表B.3平坦V形堰的应用限制及流量系数有效流量系数CDe水头改正数Kh(m)有效流量系数CDe水头改正数Kh(m)B.2.5巴歇尔槽B.2.5.1标准巴歇尔槽自由流流量公式及适用范围见表B.4。表B.4标准巴歇尔槽自由流流量公式及适用范围Q=Chβ/（m/s)流量范围/(10m/s)/(hL/h)11.403h22.397h33.668h46.004hDB41/T1974—2020B.2.5.2大型巴歇尔槽自由流流量公式及适用范围见表B.5表B.5大型巴歇尔槽自由流流量公式及适用范围Q=Ch1.6/(m/s)流量范围/(m/s)18.859h234521.44h628.43h735.41hB.2.5.3特大型巴歇尔槽自由流流量公式及适用范围见表B.6表B.6特大型巴歇尔槽自由流流量公式及适用范围Q=Ch1.6/(m/s)hL/h142.106h251.375hB.3矩形渠道末端深度法测流适用于在渠底水平或平缓倾斜，渠底末端有跌坎，能形成自由射流的渠道上。流量系数CD的选取见表B.7。表B.7矩形渠道末端深度法流量系数数值(CD)DB41/T1974—2020（规范性附录）代表流速法参数率定及流量计算方法C.1代表垂线的选取C.1.1代表垂线通过对断面垂线流速分布的分析，确定出与断面平均流速有线性关系的一条（或二条）测速垂线，作为代表垂线。C.1.2垂线选取代表垂线应通过分析实测资料，选取与断面平均流速线性关系较好的垂线。C.2参数率定由代表垂线处实测流速，与转子式流速仪或走航式多普勒流速剖面仪实测断面平均流速，采用公式（C.1）对参数k进行率定。进行高水、中水和低水不少于30次的实测流速。…………………(C.1)式中：k——相关系数；V——实测断面平均流速，单位为米每秒（m/s）；v——实测垂线平均流速，单位为米每秒（m/s）。可点绘以v为横坐标，以V为纵坐标的关系线，通过点群中心率定一条直线，直线斜率即为相关系数k；也可以通过最小二乘法，确定该条实测垂线平均流速与断面平均流速的相关系数k。C.3流量计算应使用公式（C.2）计算。………………(C.2)式中：Q——流量，单位为立方米每秒（m3/s）；A——过水断面面积，单位为平方米（m2）。DB41/T1974—2020（规范性附录）监测数据成果表和数据库表结构D.1监测数据成果表D.1.1河道站流量在线自动监测成果表见表D.1。表D.1河道站流量在线自动监测成果表站码mm/smm/s测验方法DB41/T1974—2020D.1.2堰闸站流量在线自动监测成果表见表D.2。表D.2堰闸站流量在线自动监测成果表mm/smmmDB41/T1974—2020D.1.3无侧收缩矩形薄壁堰站流量在线自动监测成果表见表D.3。表D.3无侧收缩矩形薄壁堰站流量在线自动监测成果表mm/smmmmD.1.4三角形剖面堰站流量在线自动监测成果表见表D.4表D.4三角形剖面堰站流量在线自动监测成果表mmm/smmDB41/T1974—2020D.1.5平坦V形堰站流量在线自动监测成果表见表D.5。表D.5平坦V形堰站流量在线自动监测成果表mm/sm注：形状系数：与堰口高、有效水头、总水头D.1.6巴歇尔槽站流量在线自动监测成果表见表D.6。表D.6巴歇尔槽站流量在线自动