ADCP测流方法的应用及水位流量关系序列的延展——以卡扬河为例

高利伦，石中凯，祝成锐，张 婷

（浙江华东测绘地理信息有限公司，浙江杭州，310030）

ADCP测流方法的应用及水位流量关系序列的延展
——以卡扬河为例

高利伦，石中凯，祝成锐，张 婷

（浙江华东测绘地理信息有限公司，浙江杭州，310030）

在国外水文资料稀缺的河流进行水电工程建设，流量测验耗资比较昂贵，且难以得到目标水位下的流量值。根据卡扬河ADCP测流方法的应用获取的流量资料和同步水位观测资料，用实测资料根据曼宁公式反求糙率，绘制水位糙率曲线，进而建立糙率经验模型公式，对特征水位下的流量进行推求，从而达到水位流量关系序列延展的目的。

ADCP测流；水位；流量；糙率

1 研究背景

水位流量资料是水电建设规划的必需资料，它是决定水库特征水位和确定水坝下游水位等水位特征值的依据，对水电站前期勘察和施工阶段的施工组织设计也具有实用意义[1]。传统流量测验技术比较复杂、耗资比较昂贵，难以连续进行，而连续地观读水位则容易办到，因此通常将连续的水位资料通过水位流量关系推算、转换为连续的流量资料，供水文计算或水文预报分析使用。

印尼卡扬河梯级开发项目位于印度尼西亚加里曼丹岛东加里曼丹省卡扬河上，该区降雨量大，水量丰沛，河流长约100多km，落差约300多m，河流总体规划按5个梯级开发，预计装机容量可达400～500万kW，规划5级电站均为中型以上电站。此处河道径流受降雨影响涨落迅速，给详勘阶段的河中地质钻孔钻探和以后的施工导流带来了很多不利的影响。本区距离卡扬河入海口约120 km，交通不便利，架设缆道设立标准流量站难以实现，因此传统的流量测验方法无可行性。应用多普勒流速剖面仪测流方法，获取测验断面流量数据序列，再结合同时水位观测数据，对实测资料进行延展，以期为后期梯级电站的设计提供依据。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Location of the research area

2 研究区概况

卡扬河水电开发规划流域位于印度尼西亚东加里曼丹岛，地处东经115.14°～116.46°，北纬2.03°～2.48°之间，该区盛行赤道气团，雨量丰沛，无明显雨季旱季区别，各月径流变化不大，河道流量受降雨控制，径流量大，产汇流速度快，河道水位变化迅速。河道比降较缓，泥沙含量高。

3 数据与方法

文中数据为ADCP实测数据，笔者从2013年3月15日开始流量测验工作，同一水位下，进行4个测回的测验，最后流量值取4次测试的平均值。水位流量测验时间持续40 d，经历了3次洪水过程，选择洪水过程中较有代表性的水位和流量［2］。根据选择数据和控制断面尺寸，利用曼宁公式反算糙率，绘制水位糙率曲线，对曲线进行指数拟合，得到糙率经验模型。根据经验模型，拟定延展水位下的糙率，根据拟定糙率，推算延展流量［3］。

3.1 ADCP测流原理简介

ADCP是声学多普勒流速剖面仪的缩写，它是利用声学多普勒原理，对河道进行流量测量。AD⁃CP可以测量距其一定范围内的许多点的流速。也就是说，一台ADCP可以替代许多台机械式电磁式流速仪，能测量河道流速的三维分量：Vx，Vy，Vz。ADCP基于如下的公式计算流量：

Q=∬su·εds （1）

式中：Q为流量，S为河流某断面面积，u为河流断面某点处流速矢量，ε为作业船航迹上的单位法线矢量，ds为河流断面上微元面积。

公式（1）可以重新写为：

式中：T为跨断面航行时间，k为垂向单位矢量。

将沿航迹的断面离散为m个微断面，则：

Hi为微断面i处水深；Δt为相应于微断面的测量时间平均步长；m为断面内总的微断面数目；V为相应于每一微断面的深度平均流速矢量。

深度平均流速V的x方向分量由下式算出（y方向分量相似）：

VxT为表层平均流速（x向分量）；VxM为中部平均流速（x向分量）；VxB为底层平均流速（x向分量）。

借助于指数流速剖面来推算表层或底层平均流速及流量

U为高度z处的流速；u*为河底剪切流速；z0为河底粗糙高度；b为经验常数=1/6。

岸边流量估算：Va=α Vm（6）

Va为岸边区域平均流速；V为起点微断面（或终点微断面）内的深度平均流速；α为岸边流速系数。

将上述各分量相加，即为测验河道流量。

3.2 ADCP的流量测验注意事项

ADCP换能器安装方式见图2。ADCP的测流效果和其换能器的安装方式有直接关系，为了保证换能器安全，安装要牢固。要把换能器安装在远离测船马达的地方，这样能避免马达扬起的浪花对测流精度的影响。换能器要有一定的吃水深度，这样才能保证在测船摇摆时也不影响换能器的测流状态。在测量过程中，船速要缓慢，才能保证换能器的测量精度。

图2 ADCP换能器安装方式Fig.2 Installation of the ADCP transducer

与传统的缆道测流方法比较，ADCP测流具有很大的优势。首先，虽然测流的原理相同，都是在测验断面垂线上布置多条垂线，并测量多点的流速，但是ADCP测流的测流点要远远多于传统方法的测流点，从而能达到传统方法无法达到的精度。传统方法要求测验断面要垂直于河道，所以传统方法下，必须架设缆道，ADCP测流则无此要求，其测流过程和轨迹无关，所以与传统方法比较，ADCP测流具有安装简单、测量精度高、测验成本低等诸多优点。ADCP较传统方法的缺点是因无缆道牵引，当河道遭遇非常洪水时，测流工作依然要在测船上进行，测流工作存在很大安全隐患。

图3 流量测验断面Fig.3 Cross section in the runoff test

4 结果与讨论

4.1 测验断面描述

根据流量测验规范，所选控制断面位于一级上坝址下游3 km处，河面宽阔，上游有500 m左右的基本顺直河道，河道无巨型块石，河道水流基本稳定。控制断面形状为U型，河道洪水位宽度180.11m，调查最高洪水位为30 m，调查最低枯水位为20.90 m，水位变幅9.1 m［4］。测验断面主河槽为卵砾质河床，在常年水位以上，河岸多为粉砂质土质，有茂盛植被覆盖。

4.2 水位糙率曲线拟合

实测序列中的最高水位出现在4月8日，对应最大流量为6 739.53 m3，实测最低水位出现在3月18日，对应实测流量为1 153.93 m3，此最高最低水位不是同一个洪水过程。测验时段内，水位在23～25 m的范围内波动，河道水位基本稳定在此水位区间范围内。根据水位观测记录，在流量测验工作开始前，水位最低值为20.90 m，根据对当地村民的走访，历史最高水位为30 m左右。遴选洪水过程中较有代表性的一组水位-流量数值，利用曼宁公式反算糙率值n，计算列表见表1。

由上述计算结果，建立水位-糙率关系，并对实测点进行指数函数曲线拟合。

拟合方程为：f() h=2.0823e-0.1913h。

由拟合多项式对实测水位下的糙率进行计算，进而计算流量，将计算流量和实测流量进行对比，对比关系见表2。

通过上述计算值和实测值对比，误差均在5%之内，误差符合水文规范限差，证明样本拟合曲线和实际曲线的相似性良好［5］。

表1 糙率计算过程表Table 1 Process of the roughness calculation

表2 实测值与计算值对比表Table 2 Comparison between the measured value and calculated value

图4 水位糙率拟合曲线Fig.4 Fitting curve of the water level and roughness

4.3 洪枯水流量延展

将控制断面洪水位高程代入糙率模型，n（30）= 0.006 701，洪水的平均流速：V均=4.07。则洪峰流量Q洪=AV均，为10 582 m3。经过枯水位调查，控制断面最低水位为：20.90，则n（20.90）=0.038 209，V均= 0.713，此时流量为：Q枯=AV均，流量值为：991.07 m3。

5 结语

卡扬河洪峰流量大，洪峰单宽流量为56.25 m3。水量变幅大，最大流量为最小流量的10.68倍，所以对勘测期河中钻孔的钻探和施工期的安全度汛都造成很大威胁。本文利用资料序列较短，由于条件限制，难以测到最高水位或最高水位相近流量，对延展结果难以达到结论性判断，只能对研究断面水位流量做出半理论性描述［1］。

ADCP的应用可以提高测流效率和精度，降低测流成本，使水文工作能为水利工程建设发挥很好的尖兵作用。利用实测的水位流量数据，对水位流量关系进行合理的延展，使资料稀缺河流的资料得到扩大，使这些资料能够直接服务于工程规划、施工组织设计等工程实践［6］。 ■

[1]刘洪波.水文水利计算[M].郑州:黄河水利出版社,2006.

[2]声学多普勒流量测验规范[S].

[3]詹道江,叶守泽.工程水文学[M].北京:中国水利水电出版社,2000.

[4]SL58-1993，水文普通测量规范[S].

[5]林宗信.曼宁公式计算流量的误差分析[J].水电能源科学, 2008,26(1):93-96.

[6]SL303-2004,水利水电施工组织设计规范[S].

三峡水库腾库防汛进入最后阶段

据新华网5月29日14时许，三峡水库水位降至150.00 m。至此，三峡枢纽腾库防汛进程进入最后5 m消落阶段。

水情记录显示，自去年底三峡水库开始补水消落以来，截至今年5月29日，水库水位已从最高时的175 m左右消落至150 m，下降了25 m。

目前，长江上游来水约为1万m3/s，较历史同期偏枯。三峡枢纽梯级调度通讯中心主任肖舸说，为实施腾库防汛，使水库如期降至防汛控制水位，三峡枢纽将根据上游来水调控下泄。目前日均下泄流量保持在1.2万m3/s左右，可保证水库水位每天以0.4 m左右趋势下降。

根据国家防总《关于三峡工程2013年试验性蓄水实施计划的批复》，三峡水库水位将在6月10日长江进入主汛期时，按计划下降至145 m左右的防汛控制水位。

As building a hydropower project on a river abroad with little hydrological data,the flow test is expensive and it is difficult to obtain the runoff data with target water level.In this case,we obtained the flow data and synchronous level of Kayan River using the ADCP flow measurement.Then the rough⁃ness was calculated by Manning formula.According to above-mentioned data,we established the rela⁃tion between the water level and roughness,and calculated the runoff with the characteristic levels.The result was of great importance to the hydropower project on Kayan River and presented an available method for the data extension of the water level and runoff.

ADCP flow measurement;water level;runoff;roughness

P332

B

1671-1092（2014）03-0023-04

2013-05-31；

2013-07-29

高利伦（1985-），男，山东菏泽人，工程师，从事水文与水资源外业勘测工作。

Title:Application of the ADCP flow measurement and the extension of water level-runoff relation⁃ship——a case study of Kayan River,Indonesia//by GAO Li-lun,SHI Zhong-kai,ZHU Cheng-rui and ZHANG Ting//Zhejiang Huadong Surveying and Mapping Co.,Ltd.