浅析吴家渡水文站枯水流量不稳定的成因

顾 捷田 硕何 晶（.蚌埠水文水资源局 蚌埠 000 .安徽省水文局 合肥 00 .南京灵快水测量技术有限公司 南京 0）

浅析吴家渡水文站枯水流量不稳定的成因

顾 捷1田 硕2何 晶3
（1.蚌埠水文水资源局 蚌埠 233000 2.安徽省水文局 合肥 230022 3.南京灵快水测量技术有限公司 南京 211103）

为应对最严格水资源管理，以淮河干流上吴家渡水文站为例，对大断面、小流量、低流速等不利于测验状态的成因进行初步研究，并提出相关解决建议。

水文站 枯水 流量测验 不稳定

1 引言

随着社会经济的快速发展，水文测验受工程影响越来越显著，特别是小水电、洪水资源化和城市景观拦水坝对水文站测验环境影响极大，中低水小流量几乎无法施测，不少水文站不得不寻找新的辅助测流断面甚至面临迁站的窘境，安徽省包括淮河干流在内的一大批河流都面临小流量测验的难题。根据以往一些对比试验数据和成果分析发现，许多河段的水面宽、水深大，但流速却非常小，不少河段流速已经低于传统旋杯式低速流速仪的最小量程0.02m/s，有的甚至只有毫米级的流速，根本无法启动旋杯式低速流速仪，可此时流量却依然存在。随着国家提出最严格水资源管理，枯水流量成为干旱时期水资源管理的决定性数据，所以探索低水、枯水流量的测验方法迫在眉睫。

2 吴家渡水文站

蚌埠（吴家渡）水文站设立于1913年1月，位于安徽省蚌埠市龙子湖区国强路北首吴家渡淮河右岸，属平原区淮河中游控制站，主要监测蚌埠段淮河干流水量。该站监测项目主要有水位、降水量、蒸发量、流量、含沙量、悬移质输沙率、水质、土壤墒情、辅助气象等测验项目。该站每日向国家防汛抗旱总指挥部拍发雨水情电报，为省、市、县各级防汛抗旱部门提供重要水文数据。

吴家渡水文站实测历年最高水位为22.18m，历年最低水位10.33m，设防水位18.50m，警戒水位20.30m，保证水位22.60m，实测最大流量11600 m3/s。一般情况下，每年12月至次年4月，吴家渡站约有5个月时间处于大断面、小流量的枯流量状态，此时段水位在11.00～13.00m左右，断面宽度在300～400m之间，断面面积在2000～4000m2上下，流量在35～300m3/s左右，平均流速在0.018～0.15m/s之间，且流向不定，测验难度极大。

当遇到枯水时期，上游蚌埠闸闸门电机全关时，只剩下闸门漏水流量和区间汇流，河道流速经常低于传统转子流速仪的最小量程，加之流向不稳定，测验几乎无法开展；此时使用ADCP测流，虽然可以减小流向造成的误差，但往返数据有时跳动比较大。因此在枯水时期，测验难度比较大的情况下，通常用流速仪测验时，采用单点流速多次测量取平均值的办法，减小误差，随后使用ADCP进行比测，最后分析数据，确定测验成果。

近年来由于国家提出最严格水资源管理和水资源管理的“三条红线”，枯水流量成为干旱时期水资源管理的决定性数据，同时水文年鉴的刊印和水文测验资料整编又对测验精度提出较高的要求，因此，探索吴家渡水文站乃至各类类似水文站的低水、枯水流量的测验方法迫在眉睫。

3 成因分析

3.1 断面不稳定

该站测流断面河道底部有较大深坑，同时受河道右岸停靠大量船只影响，走航式多普勒流速仪往返二次在航迹上河道断面图形不同，主要是因为河道左岸在测量断面上相差较大，见图1。往返一趟两个测次，两个断面图以中间线对称分布，从理论上图形应该是总体对称的。但由图1可见，被圈出部分差异很明显，从右到左和从左到右两个测次在深坑位置所测量得到的水深不一致，而且范围较大，此深坑部分造成了断面面积上的显著差异。

而从多次测回数据来看，这种断面不对称、不相同的差异就表现的越明显，图2是在该断面往返多次的对比结果。从这4个测回8个测次看来，被圈出部分断面形状明显不一致。根据后面的分析可知，图中的深坑会形成对断面流场影响较大的“漩涡”流。经过长期的调查分析，断面出现深坑的主要原因，可能是长期的非法采砂，由于无规划非法采砂导致的河道情况发生变化，河底高程变低，在深坑处便形成了“漩涡”流，从而给测验带来困难。

3.2 流向混乱

由于河道不平整，特别是河底局部深坑的存在，在河道流速较低时（小于等于0.1m/s），整个河道流场是“紊流”状态，即流体质点在运动中不断互相混杂，使各点的流速、压强等运动要素都随时间作无规则的脉动变化现象。这种低速“紊流”导致水流流态在不同时刻不平稳，流向随机混乱，使得测量所得流速不一致。图3是往返3次在同一地点流速分布图，虚点线为船走航的航迹，从线上发出的短射线为航迹上该点的水流方向。从图中可见虽然断面总体流场有一定的规律，但是各点的流速和流向的随机性很大，这也成为断面测验流量跳动较大的一个重要原因。

图1 往返观测断面差异分析

图2 多次往返观测断面差异分析

图3 吴家渡站不同往返测次的流速分布图

图4 吴家渡站测流断面水平方向旋涡流示意图

图5 吴家渡站测流断面竖直方向旋涡流示意图

表1 吴家渡站一次ADCP流量测验数据记录

3.3 涡流分析

从上述分析可知吴家渡站河道水平流向存在“紊流”的效应，同时根据垂线不同深度的质点运动的矢量数据，发现断面垂直方向也存在“涡流”。从吴家渡站断面深坑处某条垂线的质点流速流向分布数据分析，可见有“漩涡流”或者“紊流”存在，该站断面处河道从水表面到河底流速方向也不一致，流速大小也极不稳定，显然流速与正北方向夹角在跳变，而且垂线方向上流速也有变化，不但大小变，还有正和负，这说明整个流场不但有“水平方向的漩涡”还有“垂线方向漩涡”，中流场及漩涡分布示意图见图4和图5。而此处已是河道中部，根据流体力学可知，靠岸边流场较中间更不稳定。

4 结语

4.1 结论

吴家渡水文站为国家重要水文站和一类精度站，由于受水工程等人类活动的影响，一年较长时间段处于大断面、小流量、低流速的不利于测验状态。特别当遇枯水期时，测站断面河道流速经常低于传统转子流速仪的最小量程，走航式ADCP测流往返数据也时有比较大的跳动。

本文对该站枯水流量变化跳动较大的成因进行了初步分析，主要原因有：长期的非法采砂引起的断面局部深坑，加上通航影响，往返时断面出现较大程度不一致；由于河道不平整，特别是河底局部深坑的存在，在河道流速较低时（小于等于0.1m/s），整个河道流场是“紊流”状态；由于断面上有深坑等不利因素的存在，整个流场不但有“水平方向的漩涡”还有“垂线方向漩涡”。这些原因的共同影响，导致吴家渡水文站枯水流量的不稳定，测验结果自然会出现不稳定和跳动。

4.2 建议

（1）用走航式ADCP测流时，可适当增加测量次数。如该站某次流量测验10次的测量结果如表1所示，从表中10次记录数据看，有60%以上的数据是210～240 m3/s，而用2、3、7、8号测次计算出平均流量为221m3/s，且4次平均误差均小于5%，符合规范要求。虽然1、3、5、8号测次计算结果平均误差也在5%之内，但其计算出平均流量236m3/s显然较所有监测样本偏大，所以可以确定平均流量为221m3/s更为合理。

（2）在确定有“漩涡”流存在时，可以考虑测验时在临近的上下游更换临时测验断面。

（3）为确定“漩涡”数值，可采用定点测量方式进一步确认。在无法更改断面的情况下，用整个断面其他部分流量与涡流处矢量叠加