淺析吳家渡水文站枯水流量不穩定的成因

顧 捷田 碩何 晶（.蚌埠水文水資源局 蚌埠 000 .安徽省水文局 合肥 00 .南京靈快水測量技術有限公司 南京 0）

淺析吳家渡水文站枯水流量不穩定的成因

顧 捷1田 碩2何 晶3
（1.蚌埠水文水資源局 蚌埠 233000 2.安徽省水文局 合肥 230022 3.南京靈快水測量技術有限公司 南京 211103）

為應對最嚴格水資源管理，以淮河干流上吳家渡水文站為例，對大斷面、小流量、低流速等不利于測驗狀態的成因進行初步研究，并提出相關解決建議。

水文站 枯水 流量測驗 不穩定

1 引言

隨著社會經濟的快速發展，水文測驗受工程影響越來越顯著，特別是小水電、洪水資源化和城市景觀攔水壩對水文站測驗環境影響極大，中低水小流量幾乎無法施測，不少水文站不得不尋找新的輔助測流斷面甚至面臨遷站的窘境，安徽省包括淮河干流在內的一大批河流都面臨小流量測驗的難題。根據以往一些對比試驗數據和成果分析發現，許多河段的水面寬、水深大，但流速卻非常小，不少河段流速已經低于傳統旋杯式低速流速儀的最小量程0.02m/s，有的甚至只有毫米級的流速，根本無法啟動旋杯式低速流速儀，可此時流量卻依然存在。隨著國家提出最嚴格水資源管理，枯水流量成為干旱時期水資源管理的決定性數據，所以探索低水、枯水流量的測驗方法迫在眉睫。

2 吳家渡水文站

蚌埠（吳家渡）水文站設立于1913年1月，位于安徽省蚌埠市龍子湖區國強路北首吳家渡淮河右岸，屬平原區淮河中游控制站，主要監測蚌埠段淮河干流水量。該站監測項目主要有水位、降水量、蒸發量、流量、含沙量、懸移質輸沙率、水質、土壤墑情、輔助氣象等測驗項目。該站每日向國家防汛抗旱總指揮部拍發雨水情電報，為省、市、縣各級防汛抗旱部門提供重要水文數據。

吳家渡水文站實測歷年最高水位為22.18m，歷年最低水位10.33m，設防水位18.50m，警戒水位20.30m，保證水位22.60m，實測最大流量11600 m3/s。一般情況下，每年12月至次年4月，吳家渡站約有5個月時間處于大斷面、小流量的枯流量狀態，此時段水位在11.00～13.00m左右，斷面寬度在300～400m之間，斷面面積在2000～4000m2上下，流量在35～300m3/s左右，平均流速在0.018～0.15m/s之間，且流向不定，測驗難度極大。

當遇到枯水時期，上游蚌埠閘閘門電機全關時，只剩下閘門漏水流量和區間匯流，河道流速經常低于傳統轉子流速儀的最小量程，加之流向不穩定，測驗幾乎無法開展；此時使用ADCP測流，雖然可以減小流向造成的誤差，但往返數據有時跳動比較大。因此在枯水時期，測驗難度比較大的情況下，通常用流速儀測驗時，采用單點流速多次測量取平均值的辦法，減小誤差，隨后使用ADCP進行比測，最后分析數據，確定測驗成果。

近年來由于國家提出最嚴格水資源管理和水資源管理的“三條紅線”，枯水流量成為干旱時期水資源管理的決定性數據，同時水文年鑒的刊印和水文測驗資料整編又對測驗精度提出較高的要求，因此，探索吳家渡水文站乃至各類類似水文站的低水、枯水流量的測驗方法迫在眉睫。

3 成因分析

3.1 斷面不穩定

該站測流斷面河道底部有較大深坑，同時受河道右岸停靠大量船只影響，走航式多普勒流速儀往返二次在航跡上河道斷面圖形不同，主要是因為河道左岸在測量斷面上相差較大，見圖1。往返一趟兩個測次，兩個斷面圖以中間線對稱分布，從理論上圖形應該是總體對稱的。但由圖1可見，被圈出部分差異很明顯，從右到左和從左到右兩個測次在深坑位置所測量得到的水深不一致，而且范圍較大，此深坑部分造成了斷面面積上的顯著差異。

而從多次測回數據來看，這種斷面不對稱、不相同的差異就表現的越明顯，圖2是在該斷面往返多次的對比結果。從這4個測回8個測次看來，被圈出部分斷面形狀明顯不一致。根據后面的分析可知，圖中的深坑會形成對斷面流場影響較大的“漩渦”流。經過長期的調查分析，斷面出現深坑的主要原因，可能是長期的非法采砂，由于無規劃非法采砂導致的河道情況發生變化，河底高程變低，在深坑處便形成了“漩渦”流，從而給測驗帶來困難。

3.2 流向混亂

由于河道不平整，特別是河底局部深坑的存在，在河道流速較低時（小于等于0.1m/s），整個河道流場是“紊流”狀態，即流體質點在運動中不斷互相混雜，使各點的流速、壓強等運動要素都隨時間作無規則的脈動變化現象。這種低速“紊流”導致水流流態在不同時刻不平穩，流向隨機混亂，使得測量所得流速不一致。圖3是往返3次在同一地點流速分布圖，虛點線為船走航的航跡，從線上發出的短射線為航跡上該點的水流方向。從圖中可見雖然斷面總體流場有一定的規律，但是各點的流速和流向的隨機性很大，這也成為斷面測驗流量跳動較大的一個重要原因。

圖1 往返觀測斷面差異分析

圖2 多次往返觀測斷面差異分析

圖3 吳家渡站不同往返測次的流速分布圖

圖4 吳家渡站測流斷面水平方向旋渦流示意圖

圖5 吳家渡站測流斷面豎直方向旋渦流示意圖

表1 吳家渡站一次ADCP流量測驗數據記錄

3.3 渦流分析

從上述分析可知吳家渡站河道水平流向存在“紊流”的效應，同時根據垂線不同深度的質點運動的矢量數據，發現斷面垂直方向也存在“渦流”。從吳家渡站斷面深坑處某條垂線的質點流速流向分布數據分析，可見有“漩渦流”或者“紊流”存在，該站斷面處河道從水表面到河底流速方向也不一致，流速大小也極不穩定，顯然流速與正北方向夾角在跳變，而且垂線方向上流速也有變化，不但大小變，還有正和負，這說明整個流場不但有“水平方向的漩渦”還有“垂線方向漩渦”，中流場及漩渦分布示意圖見圖4和圖5。而此處已是河道中部，根據流體力學可知，靠岸邊流場較中間更不穩定。

4 結語

4.1 結論

吳家渡水文站為國家重要水文站和一類精度站，由于受水工程等人類活動的影響，一年較長時間段處于大斷面、小流量、低流速的不利于測驗狀態。特別當遇枯水期時，測站斷面河道流速經常低于傳統轉子流速儀的最小量程，走航式ADCP測流往返數據也時有比較大的跳動。

本文對該站枯水流量變化跳動較大的成因進行了初步分析，主要原因有：長期的非法采砂引起的斷面局部深坑，加上通航影響，往返時斷面出現較大程度不一致；由于河道不平整，特別是河底局部深坑的存在，在河道流速較低時（小于等于0.1m/s），整個河道流場是“紊流”狀態；由于斷面上有深坑等不利因素的存在，整個流場不但有“水平方向的漩渦”還有“垂線方向漩渦”。這些原因的共同影響，導致吳家渡水文站枯水流量的不穩定，測驗結果自然會出現不穩定和跳動。

4.2 建議

（1）用走航式ADCP測流時，可適當增加測量次數。如該站某次流量測驗10次的測量結果如表1所示，從表中10次記錄數據看，有60%以上的數據是210～240 m3/s，而用2、3、7、8號測次計算出平均流量為221m3/s，且4次平均誤差均小于5%，符合規范要求。雖然1、3、5、8號測次計算結果平均誤差也在5%之內，但其計算出平均流量236m3/s顯然較所有監測樣本偏大，所以可以確定平均流量為221m3/s更為合理。

（2）在確定有“漩渦”流存在時，可以考慮測驗時在臨近的上下游更換臨時測驗斷面。

（3）為確定“漩渦”數值，可采用定點測量方式進一步確認。在無法更改斷面的情況下，用整個斷面其他部分流量與渦流處矢量疊加