2.4 灌区泵站出流测定基本原理

灌区常设置一些提水或排水泵站，测量泵站流量除了作为了解水泵运行情况的手段，也是一种灌区计量用水量的方法。泵站出水流量的测定方法有：角尺量水法、拍门开启度量水法和压差计量水法。角尺量水法虽结构简单、使用方便，但量水误差大；拍门开启度量水法中拍门受力复杂，影响开启度的因素较多，测流精度也不高。因而，压差计量水法是提水灌区渠首测流的主要方法。此法的原理是当泵站提水时，由于水泵水管弯头凹凸部分水流速度不同，水压力不同，因而根据两点间的压差—流量关系可以测定水泵的抽水流量。若增加压力传感器和数据采集系统，同样可实现量水自动化。本节简要介绍角尺量水法和拍门开启度量水法。

2.4.1 角尺量水法

量水角尺可以用木料及薄铁制成。类似于木工所用的拐尺，分为短边和长边，两边之间的角度为直角。长边的长度，根据水泵口径大小而定，可为1～2m，尺面涂以白漆，并以角顶为起点，起点为零，刻划尺度。角尺短边用薄铁制成，全长0.5m，净长0.305m，在中部有一狭长孔道，以利滑动调节，孔道宽10mm，用鱼尾螺丝与长边连成90°的直角。量水角尺还有一个附件——量角器。量角器是用以测出水管的仰角，可以利用薄铁片或塑料板制成半圆形状。在圆心处系一垂线，垂线正中为0°，两旁各为90°。量水角尺结构图见图2-10。

如图2-11所示，当水泵出水管成水平状态时，将角尺放在出水管上面，与管轴线相平行，使角尺短边的末端与水流抛物线面相切（要求出水是满管的情况），这时测出或读出长边伸出水管以外的距离D，利用物理学中关于水平抛物体的有关公式可以推得：

式中 Q——流量，m³/s；

A——出水管口截面积，m²；

D——角尺读数，管口至短边间距离，m。

利用式（2-16）即可计算出水泵出水流量。如出水管外有凸缘，则短边净长须相应增加，增加的长度与凸缘高度相等，即应为0.305+凸缘高度（可以松动螺丝调整）。

如图2-12所示，当出水管呈有仰角状态时，这种情况除用量水角尺测定D值外，还需用量角器测定水管仰角θ。观测时将量角器底边贴在水管下面，垂线所指的角度，即为出水管仰角θ。此时公式为：

式中 Q——流量，m³/s；

A——出水管口截面积，m²；

D′——出水管呈仰角θ时，角尺读数修正值。

2.4.2 拍门开启度量水法

在水泵出水管口安装有断流用的拍门（材质多为铸铁）时，如出流呈自由射流，则可以将拍门吊起，利用上节介绍的量水角尺的方法测量水泵的流量。但如果出流呈淹没出流时，不可能使用角尺测量，这种情况下，可以考虑利用测量拍门的开启角度的方法来推算水泵的流量。由于拍门在水中波动较大，加之各座泵站水泵出口的边界条件不同，拍门在水中的受力情况比较复杂，影响拍门开启角度的因素较多，因此利用拍门开启角度来测量水泵流量精度不高（约为±6%）。

拍门是一种悬挂在出水管口的断流装置，在水流的冲击下，水流冲力与拍门自重力处于一种平衡状态，而使拍门开启一定的角度。显然，流量越大，水流冲击力越大，对于一定的拍门则开启角度越大。根据力学原理和大量的试验验证，可以按式（2-19）根据拍门的开启角度α求出水泵的流量Q。拍门的开启角度：

式中 Q——水泵的流量，m³/s；

G——拍门的质量，kg；

S——水泵出水管口断面积，m²；

α——拍门相对于垂直面的开启角度，（°）；

θ——出水管中心线与水平线的夹角，即出水管的仰角，（°）。

由于拍门淹没于水中，不可能直接测量拍门的开启角度。中小型泵站可以利用如图2-13所示的滑轮指针装置来进行测量。测量前，应在出水池中无水时采用量角器来标定拍门的开角，以保证测试精度，拍门开启角度的测试装置如图2-13和图2-14所示。