[科普中国]-流态观测

简介

流态观测是指对泄水建筑物过水时水流形态的观测。流态观测的目的是掌握泄水建筑物上下游水流情况及消能设施的工作状态，以便正确地运用泄水建筑物，避免发生不利的水流情况，保证建筑物的安全运行;同时也为工程的改建加固、设计和科研提供资料1。

流态观测的分类流态观测包括水流平面形态观测、水面线观测、水跃观测、挑射水流观测、水流对下游河道影响观测等。

水流平面形态观测观测范围从建筑物起向上、下游各至水流正常处。观测内容：泄水建筑物上、下游的水流流向、平面回流流态，局部旋涡、折冲水流、水花翻涌，冲击波（由于边界变化而产生的一种波，常常发生在流速较高的泄水道或明渠弯道上）及水流分布等。观测方法有目测法、摄影法、工程测量法。在目测时，要预先绘制观测范围内的建筑物和上、下游的河道平面图，将所观测到的平面形态随时描绘在平面图上，并加必要的文字说明。在摄影或录像时，要选择水流表面有代表性的部位，并应将设置在建筑物上的标志一起摄入。对于一些大型工程，目测及摄影都不能满足要求时，可采用工程测量方法观测2。

水面线观测观测范围与水流平面形态观测相同。水面线观测的目的是及时分析研究建筑物上、下游边墙的高度是否恰当，水面波动的大小是否影响发电或通航等。观测的方法有水尺法、活动测锤法及波高仪电测法。

①水尺法是在观测范围内，沿水流方向设一系列水尺，经观测绘制成完整的水面线。

②活动测锤法用于水面较宽或侧墙上无法绘制水尺的建筑物。在要测取的水面线范围内设置横跨水面的钢梁或绳索，使用测锤进行观测。

③波高仪（又称液面仪）电测法是在要观测的水面处设立金属杆，在杆上固定电容式或电阻式感应器，用仪器自动记录水面变化，这种方法最为准确。

水跃观测多采用方格坐标法观测，即在发生水跃范围的两岸侧墙上，绘制方格坐标。绘制网格时，应由消能工的起点开始，向下游每隔1m绘1条纵线，由消力池底板开始，向上按高程每隔1m绘1条横线。在水面波动大的部位，纵线刻划至0.1m，横线刻划至0.5m。水跃观测要在闸门开启稳定以后再进行，以免发生误差。

挑射水流观测对挑流鼻坎消能工后发生的水流的观测。观测的内容包括挑射水流形态、挑流的最高点、水舌的内缘和外缘的落水点、尾水波动及下游的雾化区等。挑射水流观测通常是拍摄照片;或在两岸建筑物上的适当地点，用经纬仪交会挑射水流表面的测点，定出挑射水流的水面线形态，然后用目测定出水舌内、外缘的落水点位置，调查测量下游雾化范围。

水流对下游河道影响观测观测内容包括下泄水流对下游河床、岸边的冲刷程度，冲刷坑的位置、深度等。一般在工程竣工以后就先对下游河床及岸边进行一次测量，每次泄水以后进行复测。将测量结果对照，以了解冲刷坑的发展情况。待基本稳定后，可以3年~5年测量1次。特大洪水后要加测。测量一般采用测锤或花杆，在船上进行，也可采用超声波水下地形仪量测，20世纪末期引进的水下地形仪具有较高的准确度3。

观测资料整理①现场整理，即在观测时随时注意影响水流的边界条件、发生各种水流现象的原因、可能产生不利因素的预测，根据现场现象提出改善意见，避免不利水流的恶化和导致不良后果。

②定期整理，将历次泄水观测资料按规定的格式记录好，每季度或每年将数次泄水观测资料统一整理，绘出图表，写出说明。

发展概况中国自20世纪50年代开始到60年代中期，先后在许多大中型工程上进行过水流形态观测，如梅山水库、陡河水库、修文水电站、丰满水电站、新丰江水电站等都进行过多次的观测，取得了极其宝贵的资料。20世纪末，一些大型枢纽如乌江渡水电站、刘家峡水电站、凤滩水电站、葛洲坝水利枢纽、岩滩水电站、白山水电站、二滩水电站及小浪底水利枢纽等工程的流态观测，在观测手段或内容方面都达到了世界先进水平。

根据这些资料提出了改善工程管理运用的措施，保证了工程的安全运行，同时也验证了室内试验的成果。随着观测项目不断增加，中国在观测仪器方面也不断改进，自动记录的电测仪器越来越多。世界其他国家对大型工程的水流形态观测也比较重视，如20世纪50年代苏联的古比雪夫水电站、伏尔加格勒水电站以及后来的布拉茨克水电站，70年代到90年代日本的新城羽水电站、西班牙的阿尔门德拉溢洪道、美国的莫西洛克拱坝、巴西的伊泰普水电站等工程，都进行过较为完善的水流形态观测2。