M9定點(diǎn)測(cè)流在低流速紊流嚴(yán)重河道的應(yīng)用.docx

1、水文水能M9定點(diǎn)測(cè)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）摘要由于受到水利工程的影響，越來越多的水文站點(diǎn)的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)流情況，試驗(yàn)證明,M9定點(diǎn)測(cè)流可以滿足極低流速和紊流嚴(yán)重的河段的流量測(cè)驗(yàn)。關(guān)鍵詞M9;ADCP;定點(diǎn)測(cè)流;低流速;紊流中圖分類號(hào)P332文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B文章編號(hào)1問題的提出由于水閘、大壩

2、等水工建筑的影響，很多水文站的流量測(cè)驗(yàn)受到了極大的影響。水閘的建設(shè)使得部分測(cè)站的測(cè)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(cè)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(cè)回出現(xiàn)不閉合的情況而達(dá)不到測(cè)驗(yàn)的精度要求水文站為了完成固定的測(cè)驗(yàn)任務(wù)，往往只能將測(cè)流斷面上遷或下移，避開庫區(qū)、回水區(qū);這給日常流量測(cè)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(duì)于流速測(cè)驗(yàn)的影響，則需要

3、在同一個(gè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)驗(yàn)一段時(shí)間取平均值作為該點(diǎn)的平均流速氣傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)械式流速儀可以在一個(gè)點(diǎn)上連續(xù)測(cè)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(cè)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(cè)驗(yàn)誤差。2基本原理2.1M9M9為SonTek/YSI公司開發(fā)的聲學(xué)多普勒水流1003-1510(2016)05-0025-03剖面儀，可進(jìn)行走航式和定點(diǎn)式流量測(cè)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

4、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：FD=2Fv/C式中:FD為聲學(xué)多普勒頻移;F為發(fā)射聲波的頻率2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(cè)量方法及流計(jì)算定點(diǎn)測(cè)量方法采用與傳統(tǒng)的、斷面上布設(shè)若干代表垂線的測(cè)量方法一樣，測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)位置，就可直接測(cè)量垂線上每一點(diǎn)的流速,也不需要實(shí)測(cè)水深或者套用

5、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(cè)童歷時(shí),以克服水流的脈動(dòng)影響。與走航式的測(cè)量方式不同，定點(diǎn)式不是動(dòng)態(tài)的測(cè)量方式，測(cè)量過程中，可以調(diào)整適時(shí)的測(cè)量歷時(shí),收稿日期2016-05-16作者簡(jiǎn)介張郁坡（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(cè)驗(yàn)與資料整編、水文分析與計(jì)算、水文水資源評(píng)價(jià)。而不像走航式，實(shí)際測(cè)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(cè)驗(yàn)誤差。雖然可以以2個(gè)測(cè)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(cè)量方式測(cè)流，不需要進(jìn)行2個(gè)測(cè)網(wǎng)的平均；如同轉(zhuǎn)子式

6、流速儀的測(cè)量方法，只需從一岸測(cè)量到對(duì)岸，就可以完成-次測(cè)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2016km2,是榕江南河干流控制站，國(guó)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(cè)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(cè)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1600n?,斷面平均流速約0.008m/s,過水?dāng)嗝媪髁考s13m7so如此低

7、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(cè)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(cè)驗(yàn)時(shí)，一般按照水位級(jí)不同定為1216條垂線，本次使用M9定點(diǎn)測(cè)量試驗(yàn)時(shí)按常規(guī)流速儀測(cè)驗(yàn)垂線進(jìn)行布測(cè),共布設(shè)12條垂線，間距10-20moM9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(cè)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(cè)得為151。,鹽度參數(shù)設(shè)置為Oc（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

8、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(cè)驗(yàn)，無法使之與M9定點(diǎn)測(cè)驗(yàn)成果進(jìn)行直接比測(cè)，故我們使用M9定點(diǎn)測(cè)屋方式連續(xù)測(cè)兩次流量，通過對(duì)比分析兩次流量的閉合差來進(jìn)一步驗(yàn)證M9定點(diǎn)測(cè)量在東橋園站斷面是否能夠勝任低流速下的流量測(cè)驗(yàn)。（3）為了考察定點(diǎn)測(cè)量方式的精度，在每條垂線上，分別采用120s和90s兩種不同測(cè)雖歷時(shí),進(jìn)行流量的兩次測(cè)驗(yàn)。實(shí)測(cè)斷面流量分別為12.6m，/s、13.7m3/so兩次測(cè)量的誤差為4.2%。流俄結(jié)果接近。綜合整個(gè)測(cè)量過程中兩數(shù)據(jù)的變化狀況，采用定點(diǎn)的測(cè)量方式獲得的數(shù)據(jù)是可靠的。相比之下，采用更K的采樣歷時(shí)，得到的成果應(yīng)該更接

9、近真值。從實(shí)測(cè)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?。ù咕€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(cè)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(duì)試驗(yàn)斷面開展6個(gè)測(cè)刖共12測(cè)次）的M9定點(diǎn)流量測(cè)驗(yàn)，在進(jìn)行流量試驗(yàn)

10、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(cè)跟返測(cè)連續(xù)進(jìn)行（即測(cè)完往測(cè)后立即進(jìn)行返測(cè)），單條垂線的測(cè)驗(yàn)時(shí)間為】20s。測(cè)驗(yàn)成果見表lo表1M9定點(diǎn)測(cè)流成果匯總表往返測(cè)回-123456往返往返往返往返往返往返永位/in44.5644.5444.5244.5144.5244.5344.5144.5144.544.544.5444.55流J3912043.541.170.475.156.450.067373.638.241.9平均流速/（mA）0.0860.0740.0270.0250.0440.0470.0340.0310.0410.0460.0230.

11、025往返閉合差/%73%-7.3%2.8%-2.8%-3.2%3.2%6.0%-6.0%-4.5%4.5%-4.6%4.6%從表1可知，測(cè)驗(yàn)的流量變幅38.2139m7s,平均流速變幅0.0230.086m/s.從同個(gè)測(cè)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(cè)流每次測(cè)流時(shí)間跨度較長(zhǎng)，受到區(qū)間來水變化的影響，造成兩次測(cè)流的流量成果有一定的圖1東橋園站斷面流速流向分布圖圖1東橋園站斷面流速流向分布圖差異，故認(rèn)為使用M9定點(diǎn)測(cè)址可以滿足枯水期東橋園站本斷面的流量測(cè)股，4結(jié)論(1) 通過在東橋園站的試驗(yàn)，證明M9定點(diǎn)測(cè)流可

12、以滿足低流速素流嚴(yán)柬河道的測(cè)驗(yàn)要求，精度符合規(guī)范要求，成果可靠，(2) 從測(cè)流原理上來說,M9定點(diǎn)測(cè)流與傳統(tǒng)流速儀法的原理一樣，都是沿著測(cè)址的斷面線，布設(shè)若干條垂線，通過測(cè)址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(cè)流具有數(shù)據(jù)精度高、測(cè)速范圍大、不擾動(dòng)流場(chǎng)、效率高、可以同時(shí)測(cè)址流速和流向等優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)|1SI337-2006.K學(xué)多普勒流ht測(cè)驗(yàn)規(guī)范同|2GB50179-93,河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范.3劉雙林.宋樹東.ADCP定點(diǎn)測(cè)流方法應(yīng)用J.人民長(zhǎng)江.2010(20):79-80.(責(zé)任埼孵：劉征湛)ApplicationofM9anchored-positio

13、ncurrentobservationonriverwithlowflowvelocityandseriousturbulenceZHANGYu-po(ShantouBranchofHydrologyBureauofGuangdongProvince,Shantou515041,China)Abstract:Duetoconstructionofhydraulicprojecis,theflowgaugingsectionsofmoreandmorehydrologicalstationsarewithinthereservoirarea.Theflowvelocityislowandturb

14、ulenceisfrequentlyseenalthecurrentgaugingsection,whichmakesmeasurementbecomeimpossiblewithconventionalmechanicalvelocitymeter/l'urbulenceandpulsationalsoaffectstheapplicationofunderwayADCP.Inordertosettlethisproblem,flowmeasurementtestwithM9ADCPwasconductedatDongqiaoyuanHydrologicalStationontheNanhemainstreamofKongjiangRiverwithinJiexiCountyofGuangdongprovi