三峡水库支流库湾低流速条件下测流方法探讨及应用

马 骏，刘德富，纪道斌，杨正健，易仲强

三峡水库支流库湾低流速条件下测流方法探讨及应用

马 骏1，刘德富1，纪道斌2，杨正健1，易仲强1

（1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.武汉大学 水利水电学院，武汉 430072）

三峡蓄水成库后，库区部分支流受长江干流回水顶托，形成了支流库湾，水体流态由典型的河流形态变为类湖泊形态，受上游来流和水库调度等因素综合影响，库湾水动力条件变得极其复杂。在野外长期现场观测的基础上，针对支流库湾水体复杂的水动力条件，提出了一种独特的流速监测方法。运用该方法在香溪河库湾测流，获得了较好的测流结果，能较好地表征低流速条件下库湾水体的水动力特性，是一种行之有效的方法。

三峡水库；支流库湾；测流方法；声学多普勒三维点式流速仪；ADCP

1 概 述

野外原型观测、室内试验和数学模型是科学研究中常用的3种手段。随着大型计算机的广泛应用，数学模型已成为当前对河库水流流场研究的重要工具，但是开展野外原型观测研究，仍是了解河库水流形态的最直接有效的途径之一。同时，野外原型观测又是研究的基础，它的精度直接影响到室内试验和数学模型参数的率定及验证。流速作为河库水动力研究中的重要参数之一，流速的精确测量是确定流场分布和流量计算等水文水动力学要素的关键环节，选择合适的测量仪器并采用恰当的测量方法，能够获得较理想的测量精度，为数学模型参数的率定及验证提供依据。

三峡水库自2003年6月蓄水以来，河床水位抬升、水深增加、流速减缓，形成了河道型水库。支流库湾水体受三峡水库调度、上游来流、降水等综合影响，水动力特性相当复杂。在回水淹没区内，流速基本处于准静止状态（＜0.1 m／s）。传统的测流仪器及方法已无法满足现有低流速条件下的测流精度，如何开展野外原型观测，是一个亟待解决的问题。依托三峡大学香溪河水生态与环境野外观测站，本文在对三峡库区典型支流香溪河库湾进行长期连续现场观测的基础上，主要探讨了三峡水库支流库湾低流速条件下的测流方法，为提高测流精度和获取

2 常见流速测量仪器原理及主要性能对比

2.1 常见流速测量仪器原理

测量流速的仪器种类繁多，但根据流速仪探头的测量原理，可以分为以下几类［1－5］：

（1）毕托管测速技术：通过测量流动流体的动压头与静压头的压力之差换算成流体速度；

（2）机械测速技术：根据旋桨或叶轮被水流推动的转数，间接测出流速；

（3）电磁测速技术：测量水流在地磁场中流动所产生人感应电动势的变化，测得流速；

（4）声学多普勒测速技术：利用声波传播的多普勒效应，测定流速；

（5）热线热膜风速仪测速技术：利用热对流耗散和流动速度之间的关系以及热平衡原理，通过电信号与流速之间的关系测得流速；

（6）激光多普勒测速技术：利用流体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得流体速度信息；

（7）粒子成像测速技术：通过拍摄并测量流场中跟随流体运动的颗粒（示踪粒子）的速度来反映流场速度。

2.2 常见流速测量仪器性能对比

常见流速测量仪器性能对比见表1。

表1 常见流速测量仪器性能对比Table 1 The performance comparison of common velocimeters

根据野外现场测流的要求，选择江河湖库中应用广泛的声学多普勒流速仪，关于声学多普勒测速原理和方法的详细论述可参见文献［2，6，7］。根据三峡水库支流库湾低流速的特点，拟选用挪威Nortek AS公司的Nortek Vector 6 MHz高分辨率三维点式流速仪“威龙”，它能直接测量三维流速，具有对水流干扰小、测量精度高、采样体积小、无需率定、操作简便和流速资料后处理功能强等优点。流速测量可选范围为0.01～7.00 m／s，精度为测量值的 ±0.5%或 ±0.1 mm／s，输出采样频率为 1～64 Hz，内部采样频率为100～250 Hz，采样体积为柱形，距探头距离0.15 m，直径15 mm，可选高度为5～20 mm。为进一步探讨该仪器的适用性，另外选用了2种流速仪，分别为美国Teledyne RDI公司生产的“骏马”系列“瑞江”牌ADCP和挪威Nortek AS公司的600kHz Nortek Aquadopp声学多普勒水流剖面仪“阔龙”。2组性能指标比测试验见表2。

表2 ADCP与“阔龙”性能对比表Table 2 The performance comparison between ADCP and“Aquadopp”

3 三峡水库支流库湾测流方法探讨

3.1 常见测流方法

根据测流设备所在载体的不同运动状态，常见的有2种方式：①走航式测量，船只搭载测流设备，在行进的过程中测流；②定点式测量，测流设备处于静止状态或以锚定的船只为承载平台测流。应用走航式测量时［8］，测船应沿预定断面航行，船艏不应有大幅度摆动：既要防止测船偏离断面航线，又要避免航向急剧改变。为了取得较好的成果，测船横渡速度最好接近于或略小于水流速度。

3.2 库湾测流方法探讨

在三峡水库支流库湾中，回水区基本处于准静止状态（＜0.1m／s）［9］，流速极小，此时，若采用走航式测量，控制船速低于水流速度的难度极大，从而使得监测数据的有效性降低。纪道斌［10］、杨正健［11］基于2008年的野外观测数据，对香溪河库湾水流速度、水温、浊度、水位、流量等因子进行分析。结果表明香溪河库湾水动力特性难以简单概化为一维特征，而在深度上具有分层异向流动特征。

在这种低流速条件下，本研究采用了定点式测量，并根据长期野外观测的经验，针对支流库湾低流速的特点，摸索并总结出了合理有效的测流新方法——首尾抛锚定点式“威龙”测流法。

具体步骤：根据水流的基本特征，在每个监测断面分别设左、中、右3条测量垂线，每条垂线上按照距水面0.5 m，2 m，5 m，10 m，15 m，…，进行测量，可得整条垂线上的流速分布情况。当监测船到达预先设置的监测断面后，沿水流方向在测船首尾分别抛锚固定（图1），然后用D型卸扣将“威龙”套在霍尔锚上的钢丝绳上，测量开始后让“威龙”沿着钢丝绳下滑到所需监测的水层深度进行测量，每层测量时间约为1 min。

图1 监测示意图Fig.1 The schematic diagram of flow measurement

为了比较测量结果，同时选用挪威Nortek AS公司的600kHz Nortek Aquadopp声学多普勒水流剖面仪——“阔龙”同步监测，它的最大剖面范围为40 m，最小层厚为1 m，流速范围为±10 m／s，精度为测量值的1%或±0.5 cm／s。比测时层厚设为5 m，层数为8层，分别进行了2组比测试验（表3、图2）。

表3 比测试验Table 3 The comparison of measured flows

图2 比测点位置图Fig.2 The location of flow measurement comparison points

4 比测试验结果

“威龙”点式流速仪和＂阔龙＂剖面流速仪均选用ENU大地坐标系统，即以东、北、上为正，以西、南、下为负。

4.1 首尾抛锚定点式“威龙”测流法与走航式ADCP测流法

第一组比测试验垂线流速比较如图3所示，可知，采用首尾抛锚定点式“威龙”测流法测量时，流速范围为±0.1 m／s，从水流的方向可以看出，约30 m以上库湾水体呈向上游流态，30 m以下水体流向下游，水流的分层流态比较明显，与纪道斌［10］、杨正健［11］等人的观测结果相符，表明首尾抛锚定点式“威龙”测流法的测量结果是可信的。采用走航式ADCP测流法测量时，流速范围为 －0.2～0.35 m／s，远大于“威龙”所测的水流范围，而且流速的方向总在发生改变，流速的大小和方向极不稳定，不符合水流运动的基本规律，表明此种测法不可取。

图3 第一组比测试验Fig.3 The first group of comparison

4.2 首尾抛锚定点式“阔龙”测流法与首尾抛锚定点式“威龙”测流法

第二组比测试验垂线流速比较如图4所示。可知，采用首尾抛锚定点式测量时，2种仪器测量所得该点垂线上流速趋势基本一致，20 m以上水体流向河口，20 m以下水体具有流向上游的微弱趋势，体现出库湾水体的分层流现象，与长期监测的结果趋势一致［10，11］，但是，从流速大小上来看，2种仪器测量结果有所差别，“阔龙”所测流速的范围大于“威龙”，“威龙”流速范围为 ±0.1 m／s，“阔龙”则为±0.25 m／s，而根据李锦秀［12］、王玲玲［13］等人的研究，流速大小在cm级，“阔龙”所测流速明显偏大，因此，在三峡水库支流库湾低流速条件下监测流速，建议选用三维点式流速仪，采用首尾抛锚定点式测流法测流。

图4 第二组比测试验Fig.4 The second group of comparison

5 首尾抛锚定点式“威龙”测流法在低流速库湾中的应用

本课题组从2008年起，在三峡水库库首4条主要支流（九畹溪（JW）、香溪河（XX）、蒲庄河（PZ）、渣溪河（ZX））采用本文测流方法，得到了较好的结果。现随机选取了部分时间测量结果，如图5、图6所示。可以明显看出，在库首4条主要支流中，不同时间均不同程度地存在着分层异向流动特征。

图5 距离香溪河河口3 km流速垂线分布图Fig.5 The vertical distribution of velocity at 3 km from the estuary of Xiangxi River

图6 九畹溪（JW02）、蒲庄河（PZ01）、渣溪河（ZX01）流速垂线分布图Fig.6 The vertical distribution of velocity at JW02，PZ01 and ZX01

6 结 论

在三峡水库支流库湾低流速复杂水动力条件下，走航式ADCP测流方法无法保证测船横渡速度接近于或略小于水流速度，故测量结果精度不高，数据的趋势性不佳，不能很好地反映出实际流态；而选用“阔龙”，采用定点式测流时，趋势性有所保证，但流速比实际值偏大。

选用三维点式流速仪（“威龙”），采用首尾抛锚定点式测流法，所得流速结果比较稳定，趋势性好，且精度满足测量要求，能够反映出水体的分层流状态，对揭示库湾这种特殊水体的水动力特性有很大的参考价值，从而证实这种低流速条件下的测流方法是行之有效的。

致谢：杨霞、段玉杰、孔松、刘流、方小凤、陈媛媛、王亮、过寒超等同志参加野外监测工作，审稿人给予了宝贵的建议，特此诚谢！

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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有效的水流实测数据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”国家科技支撑计划项目子课题（2008BAB29B09）；国家水体污染控制与治理科技重大专项子课题（2008ZX07104－004）；三峡大学硕士学位论文培优基金资助项目（2010PY015）

马 骏（1986-），男，湖北枝江人，硕士研究生，主要从事水动力学和水库生态调度研究，（电话）13774191960（电子信箱）majun150＠126.com。

（编辑：周晓雁）