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凡河結構、渠高產、水工隧道洞中具有自由表面的水流運動，均稱為明渠水流大大縮短。明渠中的 水流是在地心引力的直接作用下形成的新模式，明渠流動主要受粘性力、水力梯度不容忽視、重力和河道邊界條件的影響講理論。為了防水害、興水利而興建的水利樞紐對防洪抗旱有著重 要的作用。其中對明渠流量測量和計算的研究尤為重要服務為一體，因此，研究明渠水流的運動規(guī)律和明渠水流的水力計算對水利規(guī)劃和水工設計有著重要的意義［1］逐漸顯現。

天然明渠流量預測本身要求預報精度高全會精神、預報及時。目前拓展基地，國內(nèi)在流量計算和測量方法的應用方面在整體上處于萌芽階段集中展示，取得了一定的成績，但與國外相比 還有很大的差距體系流動性。在大部分水利工程中探索創新，流量的測量和計算還停留在經(jīng)典的計算和測量方法上，與水力學理論的研究進展不相符合實現了超越，一些新方法新產品、新手段的應用還僅 局限于一些重大工程中，沒有得到推廣橋梁作用。本文對現(xiàn)有水力學中流量計算的一些研究方法作了總結長遠所需，為水利工作者提供理論上的參考依據(jù)，以便針對不同的工程選擇適 當?shù)挠嬎愫蜏y量方法讓人糾結。

1規模、現(xiàn)階段流量測量的主要手段和方法

現(xiàn)階段流量測量的手段和方法主要有以下幾種：（1）速度-面積法，（2）水壩和水槽基石之一，（3）動船法聯動，（4）超聲波法，（5）電磁場法共同努力，（6）坡度- 面積法行業內卷，（7）落差-流量法，（8）稀釋法很重要，（9）漂浮物法能力和水平，（10）壓力-流量法。目前測量方法和測量儀器的發(fā)展主要體現(xiàn)在三個方面：（1）非轉子式測 流計迅速發(fā)展異常狀況，其中以電磁法和超聲波法發(fā)展尤為迅速國際要求；（2）耐腐蝕無磨損測流傳感器；（3）在測流計上賦以新的信息處理技術鍛造；更詳細的介紹參見文獻 ［2競爭激烈，3］。目前國內(nèi)水文工作者對河流流量的水力測量和計算還是應用以上方法或幾種方法的組合改善，具體的流量計算方法要結合測量儀器的特點選擇空白區，本文主要在 這些手段和方法的理論基礎上闡述現(xiàn)階段的一些研究方法及成果，以供參考信息化。

2形勢、明渠流量的研究現(xiàn)狀和進展

天然明渠很顯然是三維流動實踐者，這主要因為：（1）河道的不規(guī)則形狀，（2）邊界粗糙度的不同約定管轄，（3）湍流的各向異性數據。由于三維流動的復雜性，對天然明 渠的研究進行*的理論分析存在困難發揮，建立明渠流動控制方程時顯著，如果不作出重大的假設或不采用經(jīng)驗方法的前提下難以得到滿意的解。在方程簡化中如何適當?shù)?處理河床產(chǎn)生的橫向剪切應力和縱向二次流的雙重作用開放以來，在流體力學中是一個困擾流體力學工作者多年的問題占。由于湍流模式的不完善，不能很好地解釋天然明渠中 水流的本性提供了有力支撐，因此實驗作為流體力學中*的研究手段被應用到流量水力公式的建立上來激發創作，從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)來研究流速分布的內(nèi)部機理從而探討明渠內(nèi)部流動本 質。通過試驗驗證許多經(jīng)驗公式已經(jīng)被用來預測水位與流量的關系意見征詢，例如對復式斷面而言（見 Knight&Demetriou（1983）提升，Knight&Hamed（1984），Kight的必然要求，Demetriou&Hamed（1984）研究成果，Wormleaton，Allen&Hadjpanos（1982）andWormleaton&Merret（1990））完善好， 建立在深度平均參數(shù)上的兩維的方法已經(jīng)發(fā)展到給出了速度和剪切應力的橫向分布大面積。這些方法能夠求出數(shù)值解（如 Keller&Rodi（1988）andWormleaton（1998）），或者解析解（如 Shiono&Knight（1998））問題分析。在對流量公式的推導過程中培養，已有的研究方法種類繁多，下面將按照研究方法機理的不同導向作用，分別介紹一些常 用的方法［4方案，5］。

2.1十大行動、經(jīng)驗公式

2.1.1左右、回歸法

這是一種間接方法，如通過率定法建立測量流速（定點）與明渠斷面平均流速之間的經(jīng)驗關系綜合措施，由此也就建立了流量與定點流速的關系可靠保障。這種方法不僅適用于規(guī)則的人工渠道，也適用于天然河道設計標準，缺點是需要大量的實驗數(shù)據(jù)開展。

2.1.2、數(shù)學建模法

數(shù)學模型方法將復雜的研究對象簡單化、抽象化意向，撇開對象的一些具體特征意料之外，減少其參數(shù)，只抽取其主要量形式、量的變化及量與量之間的相互關系系統。測量儀器技 術的不斷發(fā)展使得測量精度越來越高。20世紀60年代以來隨著實驗技術的進步和試驗儀器精度的提高進一步提升，在明渠湍流研究中，使用了熱膜流速儀營造一處。20世紀70年 代以來激光測速技術廣泛地應用于明渠湍流的研究改革創新。儀器精度的增加，使得我們能夠比較準確地知道明渠中流速分布取得顯著成效，從而能夠對明渠中的流場進行分析新模式。根據(jù)實驗 數(shù)據(jù)進行分析建立流量與其影響因素之間的數(shù)學建模，典型的例子有Chao-LinChiu（1983）建立的水動力學數(shù)學模型不容忽視，運算得到了斷面上的二維速 度分布函數(shù)組織了，雖然從應用角度看還有許多工作要做，但還是與實驗數(shù)據(jù)相當吻合［6］說服力。

2.1.3搶抓機遇、神經(jīng)元網(wǎng)絡方法

人工神經(jīng)元網(wǎng)絡法是近年來發(fā)展起來的新興理論，在河道水流預報中得到初步應用表示。它是由大量的神經(jīng)元（又稱為處理單元）和神經(jīng)元之間鏈接結構成的一種 并行處理的自學習自組織的非線性動力系統(tǒng)全面闡釋。神經(jīng)元網(wǎng)絡從外部環(huán)境中接受信息，加工處理后又作用到所處的環(huán)境中去不難發現，神經(jīng)元網(wǎng)絡以其*的結構和處理信息方 法貢獻法治，使其在智能控制、模式識別發展需要、目標預測方面取得了顯著的成效攻堅克難。目前應用zui多，研究比較成熟的多層前饋網(wǎng)絡誤差反傳算法模型顯示，即BP模型是一種較特殊的非 線性映射方法雙向互動，它是通過一元函數(shù)的多次復合來逼近多元函數(shù)的映射方法。鑒于神經(jīng)網(wǎng)絡具有很強的處理大規(guī)模復雜非線性動力學系統(tǒng)的能力創新能力，神經(jīng)網(wǎng)絡理論在河道 水流預報中得到初步應用［7新品技，8］，由于模型中忽略了河道沖淤變化對水流演進的影響求得平衡，這類模型對河床沖淤變化不大的河道來說具有較高的預報精度紮實做；但對于河 床沖淤變形比較大的河道，現(xiàn)有模型很難反映實際水流泥沙之間的相互作用情況，其長期預報精度普遍較低提供深度撮合服務。神經(jīng)元網(wǎng)絡方法已經(jīng)初步被應用到河道的流量預測中服務品質， 為河道水情預報提供了一條新的途徑，近年來國內(nèi)許多學者將神經(jīng)元網(wǎng)絡方法應用到流量預測領域組成部分，并取得了一定的成果［9～11］影響。

2.2、半經(jīng)驗的過程中、半理論方法

2.2.1發展契機、早期公式

在脈動切應力的規(guī)律還無法完整確定之前，工程師為了實際的迫切需要促進進步，首先通過實驗建立了一些經(jīng)驗公式發力，建立流量與平均流速之間的關系，1769年deChézy迎來新的篇章，A.從假定槽壁平均切應力出發(fā)得到謝才公式：

式中共創美好，R為水力半徑，薄弱點；J為水力坡度覆蓋範圍，對于明渠均勻流來講，也就是水面線的坡度積極性。謝才系數(shù)C是非常數(shù)又進了一步，1890年Manning建立，即曼寧公式服務機製，代入謝才公式得到：貢獻力量， 這是目前采用zui廣泛的一個公式，我國的工程界也多習用之大幅拓展。n的確定是根據(jù)邊壁的狀況發行速度、邊界的整齊程度，參照多年的經(jīng)驗所確定的標準進行的與時俱進，可查表得到性能。由 于n是一個綜合系數(shù)，因素復雜綜合運用，因此它的值也不易準確確定供給。尤其是天然河流，n的值出入較大實事求是，不僅初學者感到無從掌握進行探討，即使在工程中也是一個難以準確選用 的參數(shù)。而且該方法用于非恒定流流量計算時有較大的誤差服務水平，但因為沿用已久最新，目前又無其他更好的代替方法技術創新，所以在工程實踐中還會繼續(xù)采用。前蘇聯(lián)的科學家 （如Πавловский重要作用，1925）對流量公式和參數(shù)率定也作了系統(tǒng)的研究持續向好，能夠暫時滿足實際工程的需要［12，13］充足。

2.2.2進展情況、量綱分析法

許多學者利用斷面-流量待定法結合明渠的實際特點進行了有益的分析——在量綱分析的基礎上建立了一個簡單的關于輸運能力的設計方程，這個方程用來建 立水位*量的曲線綠色化發展。常用的估算復式河道的流量公式是建立在恒定均勻流動基礎上的經(jīng)驗公式至關重要，如Chezy，Manning和Darcy-Weisbach 公式用上了。利用無量綱分析法求流量公式典型例子的是Kiely（1990）背景下、Mckeogh和Kiely（1989）通過一個小的具有主流道和漫灘流道的水槽 進行實驗，研究流量可靠保障、速度和湍流屬性。通過一系列不同實驗條件和河床坡度的實驗現場，畫出了水位-流量的曲線高端化，借助于實驗的研究成果，分析實驗中對流量有重要 影響的變量我有所應。在文獻［5］中提出這些因素分別為斷面平均速度U提單產，水力半徑R，粘性系數(shù)ν至關重要，重力加速度g發展空間，河床或河谷坡度S0，彎曲度s有所應，參照實驗結果得到 如下公式：

（1）
通過大量具有矩形和棱柱形橫截面的渠道在各種水力條件下的實驗數(shù)據(jù)足了準備，試圖建立一個簡單的關系。一個比較好的關系建立如下：

（2）

注意到這些公式是通過實驗數(shù)據(jù)得到的著力提升，因此限制于原始實驗明渠的彎度范圍深刻內涵。在應用中影響因素的關系式形式眾多，但都符合一定的理論融合，目前此類方法在工程實際中仍然被廣泛應用深入闡釋，且實用效果不錯［14］。

2.3完成的事情、理論計算方法

2.3.1物聯與互聯、解圣維南方程法

在明渠恒定流時，由于水面坡度不隨時間變化改造層面，故斷面上的水位-流量關系呈單值關系供給。但在非恒定流中優勢與挑戰，則復雜得多，水位-流量關系呈多值關系投入力度，在同一 水位下明渠斷面上的水位與流量之間呈現(xiàn)多值關系創造。若明渠非恒定流中，水位沿程變化和速度隨時間變化相對于比降來說很小而可略去貢獻法治，此時水位流量關系可近似按 單值關系處理設備製造。從質量守恒出發(fā)和牛頓第二定律導出明渠非恒定流的連續(xù)方程與運動方程組成圣維南方程組學習，圣維南方程組屬于一階擬線性雙曲線偏微分方程組更高效，目 前還無法求得其解發揮，因而在實踐中采用近似的計算方法［15］情況正常。

2.3.2體系流動性、SKM方法

這是由Shiono和Knight提出的核心技術體系，從粘性流體力學基本方程出發(fā)適應能力，推導出任意形狀斷面上流速的分布關規定，但這樣做存在著許多困難助力各業，許多學者在明渠 恒定均勻流的前提下極致用戶體驗，對斷面的流速分布進行了研究，并對得到的流速分布函數(shù)加了非恒定或非均勻狀況下的改進應用，以便得到一個滿足水文預報需要的流量公式建議。在 恒定均勻湍流的前提下，N-S方程可簡化如下相貫通，其中包含了河床產(chǎn)生的剪切力不斷發展、橫向剪切流和二次流的影響。

（3）

其中自動化方案，分別表示在河長緊密協作、河寬和垂直于河床三個方向上的當?shù)仄骄魉伲?rho;表示水的密度，g表示重力加速度線上線下，θ表示底面坡度發揮重要作用，S0=sinθ。

為了求得深度平均速度在河寬方向上的分布數據顯示，（3）在整個水深H積分去突破，假設結合連續(xù)方程，并且假定平均速度與邊界剪切力τb之間的關系　和Knight（1988）得到深度平均的動量方程：

（9）

其中達到，τb表示河床剪切應力智能設備，λ表示無量綱的渦粘系數(shù)，f表示Darcy-Weisbach摩擦因子蓬勃發展，s表示明渠的邊坡（1:s特點，垂向：水平方向）。

和

重要性，（5）

ShionoandKnight（1991）通過大量的實驗數(shù)據(jù)驗證又進了一步，假設（下 標mc和fp分別表示mainchannel和floodplain）多種場景，其中一個是在常深度H情況下得到的，另一個是在有線性邊坡的情況下得到的規劃。zui后得 到深度平均的速度橫向的分布擴大公共數據，該方法已經(jīng)被作為許多流量計算的理論基礎，當然由于簡化方程的前提是恒定均勻湍流帶動擴大，因此它的應用是有一定的前提條件的（對 SKM方法進一步的研究見DAlanErvine（2000））［5核心技術體系，16］。

2.3.3持續發展、湍流模式的應用

對工程問題而言應用提升，zui為行之有效的方法屬于湍流模式理論，這種理論為解決工程實際問題提出創造性，其本身的發(fā)展又對湍流的研究產(chǎn)生了深遠的影響發展的關鍵。近年來計算機技術的發(fā)展使得計算的時間大大縮短，為湍流模型的應用提供了前提條件規模設備。

湍流結構的研究和不斷完善帶動了人們對明渠中流動結構的了解真諦所在，對二維湍流而言，其關鍵問題歸結為對湍流切應力的處理競爭力，Prandtl在1925年提 出動量傳遞理論以及后來提出的自由剪切層模型倍增效應、泰勒的渦量傳遞理論以及卡門的湍流局部相似理論等均通過混和長度將湍流粘性系數(shù)與平均流場起來，這些統(tǒng) 稱為零方程模型製造業。其中Prandt1混摻常數(shù)理論被人們所廣泛接受，并與實測資料符合較好關規定。從Prandtl的混摻長度理論出發(fā)發展基礎，可以得到的對數(shù)流速 分布公式、指數(shù)分布公式以及尾數(shù)分布公式等建強保護。但是這些模型僅僅表示速度隨著與河床的垂向距離單調地增長同期，而沒有考慮到zui大速度通常發(fā)生在水的表面下。由于 明渠流量預測有要求時間短使命責任、計算量不大的特點效果，許多水利公式都是在零方程假設的前提下得到的［13,17］。在零方程模式的基礎上合規意識，增加兩個湍流量的偏微 分方程密度增加，然后作適當?shù)募僭O使方程封閉形成了“2”方程模式。在所有的“2”方程模型中k-ε模型應用zui為普遍創新內容，另外雷諾應力模型機遇與挑戰、代數(shù)應力模型在流量計算 中也得到了一定的應用，然而三維模型需要大量的時間來演算善於監督，并大量的經(jīng)驗常數(shù)使得這些模型對工程任務來講并不是特別的有用集成技術，還處于實驗階段就能壓製，有待進一步的 探索［18～20］。

3適應能力、其它方法

在以上傳統(tǒng)研究方法的基礎上更優美，越來越多的其它領域的研究方法被應用到流量計算和測量上，交叉學科的發(fā)展使得許多測量儀器得以改進解決方案，例如通過建立電壓 與流量的比例關系得到流量形成了電磁流量計等優勢。另外由于計算機的飛速發(fā)展，計算算法的改進大大提高了計算流量的速度幅度，使得越來越多的理論方法特別是復雜湍 流模型的應用成為可能結構。

4、總結

通過上面的分析我們知道了當前流量計算公式的基本處理方法貢獻，在實際工程中我們可以針對不同的環(huán)境和對象選擇較好的研究方法規模最大，找到適合自身特點的計算 公式。由于湍流理論的不完善統籌，使得明渠中流體力學基本方程簡化存在困難最深厚的底氣，明渠中流量受邊界條件、進出口環(huán)境等影響因素的限制振奮起來，現(xiàn)有的很多公式存在著不確定 的系數(shù)或有適用范圍窄品質、精度低等缺點。雖然在一些重大工程中流量的計算及預報取得了很多令人滿意的成果深入各系統，但目前在實踐中特別是小型水文站中大量使用的公式 還是謝才公式解決問題、對數(shù)公式、指數(shù)公式等一些經(jīng)驗公式作用，與之相配套的測量手段與國外相比也有一定的差距相互配合，這顯然與流量計算和測量在工農(nóng)生產(chǎn)中的重要地位不匹 配，隨著湍流模式以及各種計算技術的不斷完善著力增加，明渠流量計算還有大量的工作要做智能化。