小浪底水库异重流滞留层对水深测量影响分析

李建平

摘   要：异重流排沙是减少水库淤积的一条重要途径，小浪底水库库底纵比降大，水库蓄有大量清水，当上游来水来沙具备一定的条件，就会产生异重流。小浪底异重流结束后，由于水流及泥沙的惯性作用，滞留水库的悬浮泥沙形成滞留层，因滞留层泥沙分层，含沙量呈几何级变化，对淤积测验水深测量产生影响。通过对异重流滞留层对水深测量影响分析，改进水库淤积测验水深测量手段，提高淤积测验精度，为小浪底水库排沙减淤服务。

关键词：异重流  滞留层  水深测验  回声测深仪

中图分类号：TV145.2                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（a）-0056-02

1  泥沙滞留层

利用小浪底水库进行调水调沙，减少黄河下游河道泥沙淤积，是小浪底水利枢纽工程的主要任务之一，也是黄河治理的重要举措。异重流排沙是减少水库淤积的一条重要途径，小浪底水库库底纵比降大，水库蓄有大量清水，当上游来水来沙具备一定的条件，就会产生异重流。异重流结束后，由于水流及泥沙的惯性作用，滞留水库的悬浮泥沙形成滞留层，并持续至泥沙沉积稳定。小浪底水库每年开展淤积测验2～3次，洪水期、汛后水库淤积测验水深受泥沙滞留层影响较大，特别是讯后淤积测验，异重流滞留层对水深测验影响更为明显。

2  测验仪器的率定和比测技术分析

小浪底水库淤积断面水深，受测验方式、仪器设备、数据比测等因素影响较大，特别是河底滞留泥沙层不稳定状态对确定水深影响更为明显。

小浪底水库经过淤积后，有些部位仍达60m以上，由于存在泥沙滞留层，普通测深仪测验数据不稳定。小浪底水库测验淤积测验使用的主要测深仪器包括测深杆、测深锤、铅鱼、测深仪等。通过试验分析各种仪器设备测得的水深，统一水深测验的标准非常必要。

2.1 比测要求

水文测验规范规定使用记数设备和测深仪等仪器测量水深必须进行率定和比测工作。率定的目的是寻求测验仪器记录值与实测值的关系。比测的目的是检验记录值和实测值的误差，并修正记录值消除系统性误差。

2.2 比测实践操作

为了提高数据质量，选用水深分辨率较高稳定的双频回声测深仪，其工作原理为换能器从水面向水底发射声波，声波传到水底界面被反射，再回到换能器被接收，记取声波传输时间换算水深。超声波测深仪高频（208kHz）最大测量水深与水体含沙量及泥沙颗粒平均粒径之间的定量关系，在一定条件下，低频（41kHz）超声波能够穿透较大含沙量水体的实测数据，在相对静止且具有较大含沙量水体的某一深度处，存在着一层含沙量梯度很大的高含沙水层。使用超声波测深仪测深时必要时需采用具有较低频率的双频测深仪才能测到真实的底部。通过计算机测深仪软件界面，可输出河底水深图形，对河底悬沙至硬河床，清晰可见，通过比侧回声测深仪能过提供相对稳定的淤积界面，为软泥层水深比测界定提供技术帮助。

在使用回声测深仪前，进行转速校正、臂长校正、零线校正、换能器安装垂直的检查和深度比测等。比测是生产工作必须完成的规定项目，水深比测的质量直接影响水深测验的精度。水库测验水深变幅大，测验最大水深80m，岸上校正的水深不适用水下水深测量，测验中总结出水下比测的行之有效的方法。

小浪底水库回声测深仪测深主要以铅鱼测得水深为基准进行比侧。铅鱼对软泥层感应主要受拖浮力影响，使用回声测深仪测深能够测到软泥层的层次轮廓，实践中采用经验法和水下软泥层痕迹线目测法确定比侧水深。

2.3 滞留层下水深比测分析

为说明测验中水深测验误差情况，选取库区测验时实测数据。选取距离小浪底大坝上游6.54km黄河淤积测验断面，测取1条垂线水深、泥沙数据，（见表1）。

测验时滞留层界面附近流速为零，从上表可以看出，铅鱼着床硬底施测水深55.1m，回声测深仪施测水深52.8m，水深52.2m是清浑水界面以下软泥层的上表面，层内含沙量变幅极大，当含沙量接近300kg/m3时，回声测深仪不能穿透。两种仪器测深差2.3m，主要原因是铅鱼能够进入滞留泥沙层。通过实测数据说明，在泥沙滞留层影响下，不同含沙量处水深是变化的。当采用不同的仪器设备、触底方式，测出的水深是不同的，主要影响因素为水深底面的确定。因此，当小浪底水库异重流过后泥沙滞留层水深测验需要引起重视，当采用年度淤积量计算阶段或多年库容总淤积量是应分析泥沙滞留层脱水缩小体积的影响。

3  测深误差的控制

根据实践工作经验生产中控制测深误差的手段主要有：

（1）根据水深、流速和库底泥沙组成情况，选用不同的测深工具。水深较浅时，测深杆、测深锤准确性更高。库底为淤积软泥层时，应使所选用的不同测验工具，对软泥面具有统一的标准。小浪底水库水深测验以稳定的铅鱼测深为比测基准。（2）小浪底水库水库测深已广泛采用回声测深仪，因回声测深仪型号不同，其功率、频率和测深精度有差异，根据库底泥沙组成情况（有无软泥层）和精度的不同要求主要选用320和Hyd 500双频回声测深仪，测深效果较好。回声测深仪选用后，不宜随意更换。如需要换新仪器时，须用原仪器和其他测深工具与之比测无误后，再行使用。（3）回声测深仪换能器的功率、频率不同，库底软泥面对声波的反射系数亦不同，致使测深结果不一样。各水库可根据淤积泥沙沉积稳定时的软泥层淤积面为准，进行试验比测，选用合适的测深仪。在选择测深仪时，还应注意回声测深仪的测深误差，对测定库容和测定淤积厚度精度的不同影响。（4）通过试验分析，临时制定小浪底水库淤积测验项目采用一致的技术标准或制定小浪底水库水深测量技术要求，并逐步完善。

4  结语

加强小浪底水库泥沙滞留层测验，通过试验选用智能化高精度测深仪。选用测深仪图像信息能够清晰显示河底滞留泥沙层，可帮助判断识别河底界面，基本认定河底底面。同时，结合比测实验确定不同仪器设备测验要求，能够测定基本一致的泥沙底面。开展滞留层的泥沙浓度标定，分析泥沙滞留层对水深测验的影响分析，分析泥沙滞留层底面泥沙湿容重，获得定量数据，用于修正水深测验，为创新水深测验方式、测验仪器创造条件。通过试验分析资料，编制小浪底水库淤积测验水深测验技术要求，统一水深测验技术标准，指导小浪底水库不同测验项目水深测验，提高小浪底库区水文测验精度，为小浪底水库排沙减淤服务。

参考文献

[1] 黄河水利委员会.异重流问题学术研讨会文集[M].郑州：黄河水利出版社，2006.

[2] 水利部水文局.水库水文泥沙观测规范[S].（SL339-2006）.北京：水利電力出版社，2015.

[3] 水利部.河流悬移质泥沙测验规范[S].（GB/T 32555-2016）.北京：中国计划出版社，2016.