三峽水庫支流庫灣低流速條件下測流方法探討及應(yīng)用

馬 駿，劉德富，紀(jì)道斌，楊正健，易仲強(qiáng)

三峽水庫支流庫灣低流速條件下測流方法探討及應(yīng)用

馬 駿1，劉德富1，紀(jì)道斌2，楊正健1，易仲強(qiáng)1

（1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢 430072）

三峽蓄水成庫后，庫區(qū)部分支流受長江干流回水頂托，形成了支流庫灣，水體流態(tài)由典型的河流形態(tài)變?yōu)轭惡葱螒B(tài)，受上游來流和水庫調(diào)度等因素綜合影響，庫灣水動力條件變得極其復(fù)雜。在野外長期現(xiàn)場觀測的基礎(chǔ)上，針對支流庫灣水體復(fù)雜的水動力條件，提出了一種獨(dú)特的流速監(jiān)測方法。運(yùn)用該方法在香溪河庫灣測流，獲得了較好的測流結(jié)果，能較好地表征低流速條件下庫灣水體的水動力特性，是一種行之有效的方法。

三峽水庫；支流庫灣；測流方法；聲學(xué)多普勒三維點(diǎn)式流速儀；ADCP

1 概 述

野外原型觀測、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型是科學(xué)研究中常用的3種手段。隨著大型計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)學(xué)模型已成為當(dāng)前對河庫水流流場研究的重要工具，但是開展野外原型觀測研究，仍是了解河庫水流形態(tài)的最直接有效的途徑之一。同時，野外原型觀測又是研究的基礎(chǔ)，它的精度直接影響到室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型參數(shù)的率定及驗(yàn)證。流速作為河庫水動力研究中的重要參數(shù)之一，流速的精確測量是確定流場分布和流量計算等水文水動力學(xué)要素的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，選擇合適的測量儀器并采用恰當(dāng)?shù)臏y量方法，能夠獲得較理想的測量精度，為數(shù)學(xué)模型參數(shù)的率定及驗(yàn)證提供依據(jù)。

三峽水庫自2003年6月蓄水以來，河床水位抬升、水深增加、流速減緩，形成了河道型水庫。支流庫灣水體受三峽水庫調(diào)度、上游來流、降水等綜合影響，水動力特性相當(dāng)復(fù)雜。在回水淹沒區(qū)內(nèi)，流速基本處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)（＜0.1 m／s）。傳統(tǒng)的測流儀器及方法已無法滿足現(xiàn)有低流速條件下的測流精度，如何開展野外原型觀測，是一個亟待解決的問題。依托三峽大學(xué)香溪河水生態(tài)與環(huán)境野外觀測站，本文在對三峽庫區(qū)典型支流香溪河庫灣進(jìn)行長期連續(xù)現(xiàn)場觀測的基礎(chǔ)上，主要探討了三峽水庫支流庫灣低流速條件下的測流方法，為提高測流精度和獲取

2 常見流速測量儀器原理及主要性能對比

2.1 常見流速測量儀器原理

測量流速的儀器種類繁多，但根據(jù)流速儀探頭的測量原理，可以分為以下幾類［1－5］：

（1）畢托管測速技術(shù)：通過測量流動流體的動壓頭與靜壓頭的壓力之差換算成流體速度；

（2）機(jī)械測速技術(shù)：根據(jù)旋槳或葉輪被水流推動的轉(zhuǎn)數(shù)，間接測出流速；

（3）電磁測速技術(shù)：測量水流在地磁場中流動所產(chǎn)生人感應(yīng)電動勢的變化，測得流速；

（4）聲學(xué)多普勒測速技術(shù)：利用聲波傳播的多普勒效應(yīng)，測定流速；

（5）熱線熱膜風(fēng)速儀測速技術(shù)：利用熱對流耗散和流動速度之間的關(guān)系以及熱平衡原理，通過電信號與流速之間的關(guān)系測得流速；

（6）激光多普勒測速技術(shù)：利用流體中運(yùn)動微粒散射光的多普勒頻移來獲得流體速度信息；

（7）粒子成像測速技術(shù)：通過拍攝并測量流場中跟隨流體運(yùn)動的顆粒（示蹤粒子）的速度來反映流場速度。

2.2 常見流速測量儀器性能對比

常見流速測量儀器性能對比見表1。

表1 常見流速測量儀器性能對比Table 1 The performance comparison of common velocimeters

根據(jù)野外現(xiàn)場測流的要求，選擇江河湖庫中應(yīng)用廣泛的聲學(xué)多普勒流速儀，關(guān)于聲學(xué)多普勒測速原理和方法的詳細(xì)論述可參見文獻(xiàn)［2，6，7］。根據(jù)三峽水庫支流庫灣低流速的特點(diǎn)，擬選用挪威Nortek AS公司的Nortek Vector 6 MHz高分辨率三維點(diǎn)式流速儀“威龍”，它能直接測量三維流速，具有對水流干擾小、測量精度高、采樣體積小、無需率定、操作簡便和流速資料后處理功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。流速測量可選范圍為0.01～7.00 m／s，精度為測量值的 ±0.5%或 ±0.1 mm／s，輸出采樣頻率為 1～64 Hz，內(nèi)部采樣頻率為100～250 Hz，采樣體積為柱形，距探頭距離0.15 m，直徑15 mm，可選高度為5～20 mm。為進(jìn)一步探討該儀器的適用性，另外選用了2種流速儀，分別為美國Teledyne RDI公司生產(chǎn)的“駿馬”系列“瑞江”牌ADCP和挪威Nortek AS公司的600kHz Nortek Aquadopp聲學(xué)多普勒水流剖面儀“闊龍”。2組性能指標(biāo)比測試驗(yàn)見表2。

表2 ADCP與“闊龍”性能對比表Table 2 The performance comparison between ADCP and“Aquadopp”

3 三峽水庫支流庫灣測流方法探討

3.1 常見測流方法

根據(jù)測流設(shè)備所在載體的不同運(yùn)動狀態(tài)，常見的有2種方式：①走航式測量，船只搭載測流設(shè)備，在行進(jìn)的過程中測流；②定點(diǎn)式測量，測流設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)或以錨定的船只為承載平臺測流。應(yīng)用走航式測量時［8］，測船應(yīng)沿預(yù)定斷面航行，船艏不應(yīng)有大幅度擺動：既要防止測船偏離斷面航線，又要避免航向急劇改變。為了取得較好的成果，測船橫渡速度最好接近于或略小于水流速度。

3.2 庫灣測流方法探討

在三峽水庫支流庫灣中，回水區(qū)基本處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)（＜0.1m／s）［9］，流速極小，此時，若采用走航式測量，控制船速低于水流速度的難度極大，從而使得監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性降低。紀(jì)道斌［10］、楊正?。?1］基于2008年的野外觀測數(shù)據(jù)，對香溪河庫灣水流速度、水溫、濁度、水位、流量等因子進(jìn)行分析。結(jié)果表明香溪河庫灣水動力特性難以簡單概化為一維特征，而在深度上具有分層異向流動特征。

在這種低流速條件下，本研究采用了定點(diǎn)式測量，并根據(jù)長期野外觀測的經(jīng)驗(yàn)，針對支流庫灣低流速的特點(diǎn)，摸索并總結(jié)出了合理有效的測流新方法——首尾拋錨定點(diǎn)式“威龍”測流法。

具體步驟：根據(jù)水流的基本特征，在每個監(jiān)測斷面分別設(shè)左、中、右3條測量垂線，每條垂線上按照距水面0.5 m，2 m，5 m，10 m，15 m，…，進(jìn)行測量，可得整條垂線上的流速分布情況。當(dāng)監(jiān)測船到達(dá)預(yù)先設(shè)置的監(jiān)測斷面后，沿水流方向在測船首尾分別拋錨固定（圖1），然后用D型卸扣將“威龍”套在霍爾錨上的鋼絲繩上，測量開始后讓“威龍”沿著鋼絲繩下滑到所需監(jiān)測的水層深度進(jìn)行測量，每層測量時間約為1 min。

圖1 監(jiān)測示意圖Fig.1 The schematic diagram of flow measurement

為了比較測量結(jié)果，同時選用挪威Nortek AS公司的600kHz Nortek Aquadopp聲學(xué)多普勒水流剖面儀——“闊龍”同步監(jiān)測，它的最大剖面范圍為40 m，最小層厚為1 m，流速范圍為±10 m／s，精度為測量值的1%或±0.5 cm／s。比測時層厚設(shè)為5 m，層數(shù)為8層，分別進(jìn)行了2組比測試驗(yàn)（表3、圖2）。

表3 比測試驗(yàn)Table 3 The comparison of measured flows

圖2 比測點(diǎn)位置圖Fig.2 The location of flow measurement comparison points

4 比測試驗(yàn)結(jié)果

“威龍”點(diǎn)式流速儀和＂闊龍＂剖面流速儀均選用ENU大地坐標(biāo)系統(tǒng)，即以東、北、上為正，以西、南、下為負(fù)。

4.1 首尾拋錨定點(diǎn)式“威龍”測流法與走航式ADCP測流法

第一組比測試驗(yàn)垂線流速比較如圖3所示，可知，采用首尾拋錨定點(diǎn)式“威龍”測流法測量時，流速范圍為±0.1 m／s，從水流的方向可以看出，約30 m以上庫灣水體呈向上游流態(tài)，30 m以下水體流向下游，水流的分層流態(tài)比較明顯，與紀(jì)道斌［10］、楊正?。?1］等人的觀測結(jié)果相符，表明首尾拋錨定點(diǎn)式“威龍”測流法的測量結(jié)果是可信的。采用走航式ADCP測流法測量時，流速范圍為 －0.2～0.35 m／s，遠(yuǎn)大于“威龍”所測的水流范圍，而且流速的方向總在發(fā)生改變，流速的大小和方向極不穩(wěn)定，不符合水流運(yùn)動的基本規(guī)律，表明此種測法不可取。

圖3 第一組比測試驗(yàn)Fig.3 The first group of comparison

4.2 首尾拋錨定點(diǎn)式“闊龍”測流法與首尾拋錨定點(diǎn)式“威龍”測流法

第二組比測試驗(yàn)垂線流速比較如圖4所示?？芍捎檬孜矑佸^定點(diǎn)式測量時，2種儀器測量所得該點(diǎn)垂線上流速趨勢基本一致，20 m以上水體流向河口，20 m以下水體具有流向上游的微弱趨勢，體現(xiàn)出庫灣水體的分層流現(xiàn)象，與長期監(jiān)測的結(jié)果趨勢一致［10，11］，但是，從流速大小上來看，2種儀器測量結(jié)果有所差別，“闊龍”所測流速的范圍大于“威龍”，“威龍”流速范圍為 ±0.1 m／s，“闊龍”則為±0.25 m／s，而根據(jù)李錦秀［12］、王玲玲［13］等人的研究，流速大小在cm級，“闊龍”所測流速明顯偏大，因此，在三峽水庫支流庫灣低流速條件下監(jiān)測流速，建議選用三維點(diǎn)式流速儀，采用首尾拋錨定點(diǎn)式測流法測流。

圖4 第二組比測試驗(yàn)Fig.4 The second group of comparison

5 首尾拋錨定點(diǎn)式“威龍”測流法在低流速庫灣中的應(yīng)用

本課題組從2008年起，在三峽水庫庫首4條主要支流（九畹溪（JW）、香溪河（XX）、蒲莊河（PZ）、渣溪河（ZX））采用本文測流方法，得到了較好的結(jié)果?，F(xiàn)隨機(jī)選取了部分時間測量結(jié)果，如圖5、圖6所示?？梢悦黠@看出，在庫首4條主要支流中，不同時間均不同程度地存在著分層異向流動特征。

圖5 距離香溪河河口3 km流速垂線分布圖Fig.5 The vertical distribution of velocity at 3 km from the estuary of Xiangxi River

圖6 九畹溪（JW02）、蒲莊河（PZ01）、渣溪河（ZX01）流速垂線分布圖Fig.6 The vertical distribution of velocity at JW02，PZ01 and ZX01

6 結(jié) 論

在三峽水庫支流庫灣低流速復(fù)雜水動力條件下，走航式ADCP測流方法無法保證測船橫渡速度接近于或略小于水流速度，故測量結(jié)果精度不高，數(shù)據(jù)的趨勢性不佳，不能很好地反映出實(shí)際流態(tài)；而選用“闊龍”，采用定點(diǎn)式測流時，趨勢性有所保證，但流速比實(shí)際值偏大。

選用三維點(diǎn)式流速儀（“威龍”），采用首尾拋錨定點(diǎn)式測流法，所得流速結(jié)果比較穩(wěn)定，趨勢性好，且精度滿足測量要求，能夠反映出水體的分層流狀態(tài)，對揭示庫灣這種特殊水體的水動力特性有很大的參考價值，從而證實(shí)這種低流速條件下的測流方法是行之有效的。

致謝：楊霞、段玉杰、孔松、劉流、方小鳳、陳媛媛、王亮、過寒超等同志參加野外監(jiān)測工作，審稿人給予了寶貴的建議，特此誠謝！

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Flow Measurement Methods Under Low Flow Velocity at the Tributary Bays of Three Gorges Reservoir

MA Jun1，LIU De-fu1，JI Dao-bin2，YANG Zheng-jian1，YI Zhong-qiang1
（1.School of Hydraulic＆Environmental Engineering of Three Gorges University，Yichang 443002，China；2.School of Water Resources＆Hydropower，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

After the impoundment of Three Gorges Reservoir，parts of the tributaries in Three Gorges Reservoir area are influenced by the backwater of Yangtze River mainstream，giving birth to tributary bays.The water flow pattern changes from typical river pattern to lake-like pattern.Hydrodynamic conditions of the bay hence become extremely complex under the combined effect of factors like the upstream inflow and reservoir operation.In view of this，a unique flow velocity monitoring method is presented based on long-term field observation and the complex hydrodynamic condition of the bays.By using this method in Xiangxi River Bay，better flow measurement results have been obtained.It can better characterize the hydrodynamic property of water bodies of the bays under low-flow condition，and therefore proves to be an effective method.

Three Gorges Reservoir；tributary bays；flow measurement；acoustic Doppler 3D velocimeter；ADCP

TV697.21

A有效的水流實(shí)測數(shù)據(jù)提供了一套行之有效的方法。

1001－5485（2011）06－0030－05

2010-07-07；

2010-08-17

“十一五”國家科技支撐計劃項目子課題（2008BAB29B09）；國家水體污染控制與治理科技重大專項子課題（2008ZX07104－004）；三峽大學(xué)碩士學(xué)位論文培優(yōu)基金資助項目（2010PY015）

馬 駿（1986-），男，湖北枝江人，碩士研究生，主要從事水動力學(xué)和水庫生態(tài)調(diào)度研究，（電話）13774191960（電子信箱）majun150＠126.com。

（編輯：周曉雁）