M9定点测流在低流速紊流严重河道的应用

张郁坡

（广东省水文局汕头水文分局，广东 汕头 515041）

M9定点测流在低流速紊流严重河道的应用

张郁坡

（广东省水文局汕头水文分局，广东 汕头 515041）

由于受到水利工程的影响，越来越多的水文站点的测流断面位于库区内，断面流速低且容易出现紊流情况，常规的机械流速仪无法在极低流速和紊流严重的情况下进行测验。而紊流和脉动也影响走航式ADCP的运用。为了解决这种情况下的流量测验问题，在广东省揭西县榕江南河干流东桥园站检验M9声学多普勒水流剖面仪在低流速紊流严重河道的测流情况，试验证明，M9定点测流可以满足极低流速和紊流严重的河段的流量测验。

M9；ADCP；定点测流；低流速；紊流

1 问题的提出

由于水闸、大坝等水工建筑的影响，很多水文站的流量测验受到了极大的影响。水闸的建设使得部分测站的测流断面位于库区范围内，水位壅高，过水面积变大，在枯水期往往会出现极低流速和漩水、回流、横流等紊流情况，使用常规机械式流速仪已经很难完成测验任务，而使用走航式ADCP，由于严重的紊流水力条件，使得往返测回出现不闭合的情况而达不到测验的精度要求[1]。水文站为了完成固定的测验任务，往往只能将测流断面上迁或下移，避开库区、回水区；这给日常流量测验造成了很大的麻烦，且浪费了大量的人力物力。

从水力学的紊流理论和流速分布理论可知，每条垂线上不同位置的流速大小不一，而且同一个点的流速具有脉动现象，为了消除脉动对于流速测验的影响，则需要在同一个点连续测验一段时间取平均值作为该点的平均流速[2]。传统常规机械式流速仪可以在一个点上连续测验，但精度达不到且没办法确定流速方向，而走航式ADCP精度高，但实际测量到的是某一个瞬时的流速，在低流速和紊流或脉动严重的河道中，就会产生较大的测验误差。

2 基本原理[3]

2.1M9

M9为SonTek/YSI公司开发的声学多普勒水流剖面仪，可进行走航式和定点式流量测验。M9配有9个换能器，换能器与ADP轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射固定频率的声波，然后接收水中颗粒物散射回来的声波。当颗粒物接近换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波的频率高；当颗粒物背离换能器时，换能器接收到的回波频率比发射波的频率低。声学多普勒频移（即发射声波频率与回波频率之差）的计算式为：

式中：FD为声学多普勒频移；F为发射声波的频率；v为颗粒物沿声束方向的移动速度（即沿声束方向的水流速度）；C为声波在水中单位时间内传播的距离。

2.2 定点测量方法及流量计算

定点测量方法采用与传统的、断面上布设若干代表垂线的测量方法一样，测量断面的流量。只是M9是安置在水面下，向下发射超声波，测量垂线位置的水深和垂线各点（各单元）的流速并平均，作为垂线平均流速。与转子式流速仪相比，不需要放在某测点位置，就可直接测量垂线上每一点的流速，也不需要实测水深或者套用水深来计算部分面积的流量。还可以根据需要，随时改变每条垂线所需要的测量历时，以克服水流的脉动影响。

与走航式的测量方式不同，定点式不是动态的测量方式，测量过程中，可以调整适时的测量历时，而不像走航式，实际测量到的是某一个瞬时的流速，在低流速和紊流或脉动严重的河道中，就会产生较大的测验误差。虽然可以以2个测回、4个航次的数据进行平均，但在许多情况下，仍然不能消除脉动的影响。通常采用定点测量方式测流，不需要进行2个测回的平均；如同转子式流速仪的测量方法，只需从一岸测量到对岸，就可以完成一次测流的过程。

3 实验分析

3.1 概述

东桥园水文站，位于广东省揭西县东桥园镇洲兴村，断面以上集水面积2 016km2，是榕江南河干流控制站，国家重点水文站。该站上游由横江水、五经富水、灰寒水汇合后流经本站。受下游12km处三洲拦河坝蓄水影响，并且近几年受到该站上下游河段采砂的影响，使得测验河段河床下切严重，造成了枯水期本断面流速较小，且左右岸边出现了不同程度的紊流，给测验带来较大困难。在枯水期、下游拦河闸正常蓄水的条件下，水面宽约209m，最大水深约10.6m，断面面积约1 600m2，断面平均流速约0.008m/s，过水断面流量约13m3/s。如此低的流速已经不能采用传统的转子式流速仪，只能借助临时断面进行流量测验。

3.2 试验方法

（1）东桥园站的缆道断面进行流速仪法流量测验时，一般按照水位级不同定为12～16条垂线，本次使用M9定点测量试验时按常规流速仪测验垂线进行布测，共布设12条垂线，间距10～20m。M9换能器安放在三体船上，入水深度为0.10m处，由水文缆道确定垂线位置。根据两站岸边实际情况，M9岸边流速系数定为0.7，与流速仪法相同，中间部分采用1.0。测算磁北向（方位角），即沿着断面线从左岸指向右岸的罗盘方向，东桥园站基本断面测得为151°，盐度参数设置为0。

（2）在进行流量试验前，先与下游拦河闸和上游水库联系，确认在试验期间没进行调控，确保短时间内的流量一致。因为在较低流速下，东桥园站本断面无法使用常规流速仪进行测验，无法使之与M9定点测验成果进行直接比测，故我们使用M9定点测量方式连续测两次流量，通过对比分析两次流量的闭合差来进一步验证M9定点测量在东桥园站断面是否能够胜任低流速下的流量测验。

（3）为了考察定点测量方式的精度，在每条垂线上，分别采用120s和90s两种不同测量历时，进行流量的两次测验。实测断面流量分别为12.6m3/s、13.7m3/s。两次测量的误差为4.2％。流量结果接近。

综合整个测量过程中两数据的变化状况，采用定点的测量方式获得的数据是可靠的。相比之下，采用更长的采样历时，得到的成果应该更接近真值。

从实测的12条垂线的流速流向分布来看（见图1），断面水流的紊流和扰动还是比较严重。图的中部，红色箭头线是垂线实际的平均流向和流速大小，而蓝色箭头线是显示了用于计算部分流量的流向和流速大小（垂线与断面线的流速分量进行计算流量）。从图中可以看到，几乎所有的垂线平均流向都与水流方向存在着一定的角度，而第4条垂线的流向几乎为180∘，表现出来的部分流量是负流量。右上角显示的曲线是第7条垂线的垂线各单元平均流速分布图（采样历时120s），明显的水流扰动。

（4）为了进一步验证M9定点测流在东桥园断面的可行性，先后在一个月的时间内对试验断面开展6个测回（共12测次）的M9定点流量测验，在进行流量试验前，先与下游拦河闸和上游水库联系，确认在试验期间没进行调控，确保短时间内的流量一致，往测跟返测连续进行（即测完往测后立即进行返测），单条垂线的测验时间为120s。测验成果见表1。

表1 M9定点测流成果汇总表

从表1可知，测验的流量变幅38.2～139m3/s，平均流速变幅0.023～0.086m/s，从同个测回的数据来看，其中往返闭合差小于5％的有4次，占67％，往返闭合差小于10％的有6次，占100％，考虑到使用M9定点测流每次测流时间跨度较长，受到区间来水变化的影响，造成两次测流的流量成果有一定的差异，故认为使用M9定点测量可以满足枯水期东桥园站本断面的流量测验。

图1 东桥园站断面流速流向分布图

4 结论

（1）通过在东桥园站的试验，证明M9定点测流可以满足低流速紊流严重河道的测验要求，精度符合规范要求，成果可靠。

（2）从测流原理上来说，M9定点测流与传统流速仪法的原理一样，都是沿着测量的断面线，布设若干条垂线，通过测量得到每条垂线的平均流速，然后计算断面流量。但与传统流速仪法相比，M9定点测流具有数据精度高、测速范围大、不扰动流场、效率高、可以同时测量流速和流向等优点。

[1]SL337-2006，声学多普勒流量测验规范[S].

[2]GB50179-93，河流流量测验规范[S].

[3] 刘双林，宋树东.ADCP定点测流方法应用[J].人民长江，2010（20）:79-80.

（责任编辑：刘征湛）

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

张郁坡（1985-），男，广东普宁人，广东省水文局汕头水文分局工程师，主要从事水文测验与资料整编、水文分析与计算、水文水资源评价。