張郁坡

（廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 汕頭 515041）

M9定點(diǎn)測流在低流速紊流嚴(yán)重河道的應(yīng)用

張郁坡

（廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 汕頭 515041）

由于受到水利工程的影響，越來越多的水文站點(diǎn)的測流斷面位于庫區(qū)內(nèi)，斷面流速低且容易出現(xiàn)紊流情況，常規(guī)的機(jī)械流速儀無法在極低流速和紊流嚴(yán)重的情況下進(jìn)行測驗(yàn)。而紊流和脈動(dòng)也影響走航式ADCP的運(yùn)用。為了解決這種情況下的流量測驗(yàn)問題，在廣東省揭西縣榕江南河干流東橋園站檢驗(yàn)M9聲學(xué)多普勒水流剖面儀在低流速紊流嚴(yán)重河道的測流情況，試驗(yàn)證明，M9定點(diǎn)測流可以滿足極低流速和紊流嚴(yán)重的河段的流量測驗(yàn)。

M9；ADCP；定點(diǎn)測流；低流速；紊流

1 問題的提出

由于水閘、大壩等水工建筑的影響，很多水文站的流量測驗(yàn)受到了極大的影響。水閘的建設(shè)使得部分測站的測流斷面位于庫區(qū)范圍內(nèi)，水位壅高，過水面積變大，在枯水期往往會(huì)出現(xiàn)極低流速和漩水、回流、橫流等紊流情況，使用常規(guī)機(jī)械式流速儀已經(jīng)很難完成測驗(yàn)任務(wù)，而使用走航式ADCP，由于嚴(yán)重的紊流水力條件，使得往返測回出現(xiàn)不閉合的情況而達(dá)不到測驗(yàn)的精度要求[1]。水文站為了完成固定的測驗(yàn)任務(wù)，往往只能將測流斷面上遷或下移，避開庫區(qū)、回水區(qū)；這給日常流量測驗(yàn)造成了很大的麻煩，且浪費(fèi)了大量的人力物力。

從水力學(xué)的紊流理論和流速分布理論可知，每條垂線上不同位置的流速大小不一，而且同一個(gè)點(diǎn)的流速具有脈動(dòng)現(xiàn)象，為了消除脈動(dòng)對于流速測驗(yàn)的影響，則需要在同一個(gè)點(diǎn)連續(xù)測驗(yàn)一段時(shí)間取平均值作為該點(diǎn)的平均流速[2]。傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)械式流速儀可以在一個(gè)點(diǎn)上連續(xù)測驗(yàn)，但精度達(dá)不到且沒辦法確定流速方向，而走航式ADCP精度高，但實(shí)際測量到的是某一個(gè)瞬時(shí)的流速，在低流速和紊流或脈動(dòng)嚴(yán)重的河道中，就會(huì)產(chǎn)生較大的測驗(yàn)誤差。

2 基本原理[3]

2.1M9

M9為SonTek/YSI公司開發(fā)的聲學(xué)多普勒水流剖面儀，可進(jìn)行走航式和定點(diǎn)式流量測驗(yàn)。M9配有9個(gè)換能器，換能器與ADP軸線成一定夾角，每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器。換能器發(fā)射固定頻率的聲波，然后接收水中顆粒物散射回來的聲波。當(dāng)顆粒物接近換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波的頻率高；當(dāng)顆粒物背離換能器時(shí)，換能器接收到的回波頻率比發(fā)射波的頻率低。聲學(xué)多普勒頻移（即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差）的計(jì)算式為：

式中：FD為聲學(xué)多普勒頻移；F為發(fā)射聲波的頻率；v為顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度（即沿聲束方向的水流速度）；C為聲波在水中單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離。

2.2 定點(diǎn)測量方法及流量計(jì)算

定點(diǎn)測量方法采用與傳統(tǒng)的、斷面上布設(shè)若干代表垂線的測量方法一樣，測量斷面的流量。只是M9是安置在水面下，向下發(fā)射超聲波，測量垂線位置的水深和垂線各點(diǎn)（各單元）的流速并平均，作為垂線平均流速。與轉(zhuǎn)子式流速儀相比，不需要放在某測點(diǎn)位置，就可直接測量垂線上每一點(diǎn)的流速，也不需要實(shí)測水深或者套用水深來計(jì)算部分面積的流量。還可以根據(jù)需要，隨時(shí)改變每條垂線所需要的測量歷時(shí)，以克服水流的脈動(dòng)影響。

與走航式的測量方式不同，定點(diǎn)式不是動(dòng)態(tài)的測量方式，測量過程中，可以調(diào)整適時(shí)的測量歷時(shí)，而不像走航式，實(shí)際測量到的是某一個(gè)瞬時(shí)的流速，在低流速和紊流或脈動(dòng)嚴(yán)重的河道中，就會(huì)產(chǎn)生較大的測驗(yàn)誤差。雖然可以以2個(gè)測回、4個(gè)航次的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，但在許多情況下，仍然不能消除脈動(dòng)的影響。通常采用定點(diǎn)測量方式測流，不需要進(jìn)行2個(gè)測回的平均；如同轉(zhuǎn)子式流速儀的測量方法，只需從一岸測量到對岸，就可以完成一次測流的過程。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 概述

東橋園水文站，位于廣東省揭西縣東橋園鎮(zhèn)洲興村，斷面以上集水面積2 016km2，是榕江南河干流控制站，國家重點(diǎn)水文站。該站上游由橫江水、五經(jīng)富水、灰寒水匯合后流經(jīng)本站。受下游12km處三洲攔河壩蓄水影響，并且近幾年受到該站上下游河段采砂的影響，使得測驗(yàn)河段河床下切嚴(yán)重，造成了枯水期本斷面流速較小，且左右岸邊出現(xiàn)了不同程度的紊流，給測驗(yàn)帶來較大困難。在枯水期、下游攔河閘正常蓄水的條件下，水面寬約209m，最大水深約10.6m，斷面面積約1 600m2，斷面平均流速約0.008m/s，過水?dāng)嗝媪髁考s13m3/s。如此低的流速已經(jīng)不能采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀，只能借助臨時(shí)斷面進(jìn)行流量測驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)方法

（1）東橋園站的纜道斷面進(jìn)行流速儀法流量測驗(yàn)時(shí)，一般按照水位級(jí)不同定為12～16條垂線，本次使用M9定點(diǎn)測量試驗(yàn)時(shí)按常規(guī)流速儀測驗(yàn)垂線進(jìn)行布測，共布設(shè)12條垂線，間距10～20m。M9換能器安放在三體船上，入水深度為0.10m處，由水文纜道確定垂線位置。根據(jù)兩站岸邊實(shí)際情況，M9岸邊流速系數(shù)定為0.7，與流速儀法相同，中間部分采用1.0。測算磁北向（方位角），即沿著斷面線從左岸指向右岸的羅盤方向，東橋園站基本斷面測得為151°，鹽度參數(shù)設(shè)置為0。

（2）在進(jìn)行流量試驗(yàn)前，先與下游攔河閘和上游水庫聯(lián)系，確認(rèn)在試驗(yàn)期間沒進(jìn)行調(diào)控，確保短時(shí)間內(nèi)的流量一致。因?yàn)樵谳^低流速下，東橋園站本斷面無法使用常規(guī)流速儀進(jìn)行測驗(yàn)，無法使之與M9定點(diǎn)測驗(yàn)成果進(jìn)行直接比測，故我們使用M9定點(diǎn)測量方式連續(xù)測兩次流量，通過對比分析兩次流量的閉合差來進(jìn)一步驗(yàn)證M9定點(diǎn)測量在東橋園站斷面是否能夠勝任低流速下的流量測驗(yàn)。

（3）為了考察定點(diǎn)測量方式的精度，在每條垂線上，分別采用120s和90s兩種不同測量歷時(shí)，進(jìn)行流量的兩次測驗(yàn)。實(shí)測斷面流量分別為12.6m3/s、13.7m3/s。兩次測量的誤差為4.2％。流量結(jié)果接近。

綜合整個(gè)測量過程中兩數(shù)據(jù)的變化狀況，采用定點(diǎn)的測量方式獲得的數(shù)據(jù)是可靠的。相比之下，采用更長的采樣歷時(shí)，得到的成果應(yīng)該更接近真值。

從實(shí)測的12條垂線的流速流向分布來看（見圖1），斷面水流的紊流和擾動(dòng)還是比較嚴(yán)重。圖的中部，紅色箭頭線是垂線實(shí)際的平均流向和流速大小，而藍(lán)色箭頭線是顯示了用于計(jì)算部分流量的流向和流速大小（垂線與斷面線的流速分量進(jìn)行計(jì)算流量）。從圖中可以看到，幾乎所有的垂線平均流向都與水流方向存在著一定的角度，而第4條垂線的流向幾乎為180°，表現(xiàn)出來的部分流量是負(fù)流量。右上角顯示的曲線是第7條垂線的垂線各單元平均流速分布圖（采樣歷時(shí)120s），明顯的水流擾動(dòng)。

（4）為了進(jìn)一步驗(yàn)證M9定點(diǎn)測流在東橋園斷面的可行性，先后在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)對試驗(yàn)斷面開展6個(gè)測回（共12測次）的M9定點(diǎn)流量測驗(yàn)，在進(jìn)行流量試驗(yàn)前，先與下游攔河閘和上游水庫聯(lián)系，確認(rèn)在試驗(yàn)期間沒進(jìn)行調(diào)控，確保短時(shí)間內(nèi)的流量一致，往測跟返測連續(xù)進(jìn)行（即測完往測后立即進(jìn)行返測），單條垂線的測驗(yàn)時(shí)間為120s。測驗(yàn)成果見表1。

表1 M9定點(diǎn)測流成果匯總表

從表1可知，測驗(yàn)的流量變幅38.2～139m3/s，平均流速變幅0.023～0.086m/s，從同個(gè)測回的數(shù)據(jù)來看，其中往返閉合差小于5％的有4次，占67％，往返閉合差小于10％的有6次，占100％，考慮到使用M9定點(diǎn)測流每次測流時(shí)間跨度較長，受到區(qū)間來水變化的影響，造成兩次測流的流量成果有一定的差異，故認(rèn)為使用M9定點(diǎn)測量可以滿足枯水期東橋園站本斷面的流量測驗(yàn)。

圖1 東橋園站斷面流速流向分布圖

4 結(jié)論

（1）通過在東橋園站的試驗(yàn)，證明M9定點(diǎn)測流可以滿足低流速紊流嚴(yán)重河道的測驗(yàn)要求，精度符合規(guī)范要求，成果可靠。

（2）從測流原理上來說，M9定點(diǎn)測流與傳統(tǒng)流速儀法的原理一樣，都是沿著測量的斷面線，布設(shè)若干條垂線，通過測量得到每條垂線的平均流速，然后計(jì)算斷面流量。但與傳統(tǒng)流速儀法相比，M9定點(diǎn)測流具有數(shù)據(jù)精度高、測速范圍大、不擾動(dòng)流場、效率高、可以同時(shí)測量流速和流向等優(yōu)點(diǎn)。

[1]SL337-2006，聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范[S].

[2]GB50179-93，河流流量測驗(yàn)規(guī)范[S].

[3] 劉雙林，宋樹東.ADCP定點(diǎn)測流方法應(yīng)用[J].人民長江，2010（20）:79-80.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Application of M9 anchored-position current observation on river with low flow velocity and serious turbulence

ZHANG Yu-po
（Shantou Branch of Hydrology Bureau of Guangdong Province，Shantou 515041，China）

Due to construction of hydraulic projects，the flow gauging sections of more and more hydrological sta?tions are within the reservoir area.The flow velocity is low and turbulence is frequently seen at the current gauging section，which makes measurement become impossible with conventional mechanical velocity meter.Turbulence and pulsation also affects the application of underway ADCP.In order to settle this problem，flow measurement test with M9 ADCP was conducted at Dongqiaoyuan Hydrological Station on the Nanhe mainstream of Rongjiang River within Jiexi County of Guangdong province.The results of test demonstrate that M9 anchored-position current ob?servation is able to be used at river section with extremely low velocity and serious turbulence.

M9；ADCP；anchored-position current observation；low flow velocity；turbulence

P332

B

1003-1510（2016）05-0025-03

2016-05-16

張郁坡（1985-），男，廣東普寧人，廣東省水文局汕頭水文分局工程師，主要從事水文測驗(yàn)與資料整編、水文分析與計(jì)算、水文水資源評(píng)價(jià)。