旋桨流速仪在卫宁灌区测流过程中存在的问题及分析

田进宝

(宁夏水文与水资源监测预警中心，宁夏 中卫 755200)

1 概 述

卫宁灌区位于宁夏中部，在宁夏境内沿黄灌区最上游，属宁夏回族自治区中卫市沙坡头区和中宁县境内，是黄河冲积平原自流灌区。该灌区自西向东带状分布，总面积700 km2以上。年降雨量180～367 mm左右，主要集中在夏季。年蒸发量1 100～1 800 mm，属于半干旱地带。境内气候属于北温带大陆季风区。主要特点是：冬长夏短，温差较大，干旱少雨，蒸发强烈，光照充足，热量丰富。年平均气温9.1℃，最高极值38.5℃，最低极值-26.7℃，7月份的平均气温23.4℃，1月份平均气温-7.4℃。中卫市西北部腾格里沙漠边缘卫宁北山面积12×104hm2，占全市土地总面积的7%；中部卫宁黄河冲积平原10×104hm2，占全市土地总面积的5.9%；位于山区与黄河南岸之间的台地6×104hm2，占全市土地面积的3.5%；南部陇中山地与黄土丘陵面积142.45×104hm2，占全市土地面积的83.6%。卫宁灌区土层是第四系松散沉积物，平均厚度120 m左右。上层为全新统早期黄河冲积层，上部细粒相岩性为黏砂土及粉细砂，平均厚度3 m左右。且土壤盐渍化不断加重。

2 旋桨流速仪卫宁灌区测流分析

2.1 旋桨流速仪测流优势

旋桨流速仪的特点是体积比较小，造型十分轻巧，单人便可携带，且结构紧凑、精密，携带使用方便，适用于小河流、大河枯水期浅滩、灌排渠道、水利调查、径流实验等水文作业，同时还被广泛应用到测试中小型泵站效率的管流测量和水力机械的效率实验中。另外，环保部门的污水监测、渗水流量测量，也会经常使用。水文测验工作中，该仪器广泛用于农田灌溉的小渠道测流、排水沟道的测流等。由于仪器转轴动态密封性能优良，在引用黄河水灌溉的灌区，水流含沙量达20 kg/m3，仪器仍能正常工作。

水文行业发展至今，测验仪器经历了很多代的更迭，现在已经有非常先进的仪器支撑测验业务，但旋桨流速仪依然承担着非常主要的测流任务。在进行某些排水沟道、细小河流的测流任务时，旋桨流速仪具有十分明显的优势。它不仅体量小易携带而且相对某些局限性较大的测流仪器具有较高的精确度。在排水沟道寻找合适测流断面时便于携带，并且安装简单，操作方便，大大提升了测流效率。通常一到两人便可完成测流任务，特殊情况下一人也可完成。卫宁灌区排水沟道以及引黄渠道众多，且多位于比较偏僻地段，旋桨流速仪的使用大幅降低了测流工作强度。

2.2 测流短板

旋桨流速仪的应用优势明显，但在某些特殊环境下依然存在一些不可忽视的短板。在宁夏中卫市卫宁灌区进行测流作业时，由于旋桨流速仪的仪器结构或者材质属性使得流速仪在某些特殊环境测流任务中稍显不足。如清水河流域变化莫测的含沙量、冬季气温、各个排水沟的水质、复杂的沟道条件等对测流精度都有很大影响。下面从这些特定情况下分析测流时流速数据精确度不足的问题。

2.2.1 含沙量

卫宁灌区位于黄土高原中部、腾格里沙漠边缘，黄河穿插而过。分析土壤情况可知，卫宁灌区河流、沟道、排水沟含有大量泥沙，虽然旋桨式流速仪适用含沙量较大的水流条件下，但是长时间的使用以及仪器老旧等原因都将直接影响测流精度。以清水河流域泉眼山水文站为例：

泥沙分为悬移质泥沙与推移质泥沙。由中国水利水电出版社2010年6月第一版《河流动力学》第六章悬移质运动和水流挟沙力：实测资料表明江河中输送的泥沙，悬移质占主要部分。在冲积平原河流悬移质泥沙含量一般为推移质泥沙的几十倍至上百倍。

清水河多年平均含沙量为216 kg/m3。旋桨式流速仪测流时与推移质泥沙无直接关系，此处可全部视为悬移质泥沙。

二维恒定均匀流中平衡情况下含沙量沿垂线分布，所以不同深度含沙量不同。一般理解的含沙量是一个比较整体的概念，而采用沿垂线分布的不同含沙量可以精确得知旋桨流速仪测流处的具体含沙量。

公式如下：

根据罗斯方程作出的假设，并采用卡门-普兰特对数流速分布公式，通过换算计算得出如下罗斯公式：

根据该式计算得出的相对含沙量沿垂线分布图见图1。

图1 相对含沙量沿垂线分布图

清水河泉眼山处使用旋桨流速仪时，使用相对水深为0.6。

由概述结合图1，因卫宁灌区土质为黏砂土及粉细砂，因此重力作用较小，清水河流条件较复杂，紊动系数较大。因此，悬浮指标较小，根据经验在0.125左右。但为保证计算精确，将图1中各悬浮指标数值下的相对含沙量与绝对含沙量均代入计算。

清水河流域多年平均含沙量为216 kg/m3；来洪时，瞬时含沙量超过1 000 kg/m3，含沙量最低时低于1 kg/m3。计算时，选择多年平均含沙量计算。

由图1可知，相对水深0.6处，含沙量计算结果见表1。

表1 含沙量沿垂线计算表

通过计算可知，当悬浮指标在值为0.125时，绝对含沙量为142.56 kg/m3。而常用的各种型号的旋桨流速仪使用最大含沙量一般不超过50 kg/m3，明显大于旋桨流速仪使用最大限制含沙量。甚至悬浮指标大于0.125时，仍存在绝对含沙量大于流速仪使用限制含沙量的情况。因此，汛期水流变大，含沙量较复杂时，旋桨流速仪的使用将受到直接影响。虽然含沙量最低时，流速仪处在可使用限制含沙量范围内，但是清水河水流条件复杂，尤其夏季含沙量变化迅速，因此无法在测流前得知准确含沙量。此时使用旋桨流速仪会对测流数据的精确度有一定的影响，并且可能对仪器造成不可逆损伤，大大缩短流速仪使用寿命。

2.2.2 气 温

卫宁灌区位于宁夏中部，冬季平均气温低于0℃,1月份平均温度-7.4℃，极端低温-26.7℃以下。这样的气温直接限制了冬季测流。

当冬季外出测流时，气温低于零度，流速仪上附着的水非常容易结冰。当环境温度低于-10℃时，测流过程中，当移测下一个点的流速时，流速仪暴露在空气中短短3 s便可在流速仪表面形成一层薄薄的冰膜，旋转支承部件缝隙内的少量水也会被凝结成细小的冰粒。冰膜会将旋桨流速仪的前端旋转部分和后端固定的身架部分黏合在一起，当再次旋转流速仪的桨头时，虽然冰膜和冰粒都会破碎，但覆盖其上还是会影响桨头的旋转。当旋桨流速仪在水流的冲刷下旋转时，会受到冰膜和冰粒的影响。见图2。

图2 冰膜附裹的流速仪

当旋桨转动时会产生一个角速度ω，同时冰膜所连接的旋桨部分会产生一个反方向的摩擦力f。即使冰膜破碎，依然会黏附在流速仪表面，同时旋转支承部件间的缝隙也会有少量的碎小冰粒增大摩擦力。

因为旋桨流速仪的工作原理是水流产生的动力推动旋桨旋转，经过发讯结构发出信号得知流速。而冰膜的覆盖使得测流的精确性受到影响。

1月6日在马路滩沟排水沟测流时，气温过低产生了冰膜和冰粒。为验证低温凝结的冰膜以及冰粒对测流精度的影响，利用气温在-10℃仍能正常工作的LS45A型旋杯式流速仪与LS10型旋桨流速仪测流进行了对比，结果见表2。

表2 旋桨流速仪与小浮标测得流量对比

通过LS45A型旋杯式流速仪比测发现，受流速仪表面冷冻结冰而引起的测量误差十分巨大，较真实流速可能小了不止一倍，数据误差过大甚至失去了测量意义。

因此，卫宁灌区冬季在气温过低的情况下使用旋桨流速仪时，存在很大的缺陷，测量数据失真，影响黄河灌排水量的统计。

2.2.3 水 质

水质对旋桨流速仪的影响是比较缓慢的，水中离子间的互相反应会产生一些不溶物。pH值偏碱性，提供了一部分OH-，而水中的Mg2+、Ca2+会在碱性环境下产生沉淀。流速仪的密闭性虽然较好，但如果旋转结构导致水进入到流速仪内部，在这种情况下经过一个较长的过程会在流速仪内部精密结构间形成附着物，增大旋桨旋转的摩擦力；同时也可能包裹发讯结构的接触部件，从而损坏流速仪或者使得流速仪测流精度受到影响。

2.2.4 沟道条件

卫宁灌区有20多条排水沟，大多没有经过系统的整治，因此沟底复杂，高低起伏。例如红土桥子排水沟，沟底有大量的高低不齐的石块，这使得水流条件变化莫测。原本平稳规律的水流会在河底条件的影响下翻滚旋转，有时甚至会出现水流较大但流速仪旋桨不旋转的情况。

还有部分排水沟因为水流较小，水深较浅，测流十分困难。例如碱水沟，3月初测流时，水流较宽处也不到2 m，而且水深在10 cm以下。寻找合适的沟道断面十分困难，水流较深处多为水流冲刷的水槽，水流条件根本不适合测流，而大大增加了测流难度。见图3。

图3中的这种情况形成复杂的紊流，只有接近水面的水层水流较为规律。当测量相对水深为0.6处的流速时，水面以下各个水层水流方向不一，甚至会互相影响，相互抵消流速。这时流速仪的旋转速度忽快忽慢，极其不规律。

图3 水槽水流图

另有排水沟由于水面较宽，人工涉水测流时，会慢慢偏离既定断面，加之河底条件复杂，此时的数据并不具有代表性。如中卫第一排水沟，沟底平均宽度将近20 m，很难保证施测点全部在该断面上。而沟底坑坑洼洼，如若后面几个测点偏离前几个测点所在的直线，那么所测得的水深便不具有代表性，猜想所测得流速也有一定差别。

在中卫第一排水沟分别两次在同一断面测水深，测量结果见表3。

表3 断面水深测量对比表

测量结果对比显示，随着起点距逐渐变大，相应的测量水深也不断变化。加之沟底条件复杂，水流紊乱，此时利用旋桨流速仪测得流量误差较大。因此，数据的有效性会受到影响。

3 结论及建议

卫宁灌区作为宁夏沿黄第一个自流灌区，测流精准是十分重要的。但是由于这些特殊的地理、气温等原因造成测流精准度不高的现象可能会影响水量的统计，因此选择合适的测流仪器十分重要。

对于含沙量较高的情况，应该精准施测。含沙量偏大时，可采用其他仪器，避免旋桨流速仪被损坏。沟道条件不佳的可通过沟道整治的方式来解决，但是经济效益相对较差。因气温较低和水质导致流速仪测流问题的，可通过改良流速仪密闭性或者使用斥水材料来解决。