小浪底水庫異重流滯留層對水深測量影響分析

李建平

摘 ? 要：異重流排沙是減少水庫淤積的一條重要途徑，小浪底水庫庫底縱比降大，水庫蓄有大量清水，當(dāng)上游來水來沙具備一定的條件，就會產(chǎn)生異重流。小浪底異重流結(jié)束后，由于水流及泥沙的慣性作用，滯留水庫的懸浮泥沙形成滯留層，因滯留層泥沙分層，含沙量呈幾何級變化，對淤積測驗水深測量產(chǎn)生影響。通過對異重流滯留層對水深測量影響分析，改進水庫淤積測驗水深測量手段，提高淤積測驗精度，為小浪底水庫排沙減淤服務(wù)。

關(guān)鍵詞：異重流 ?滯留層 ?水深測驗 ?回聲測深儀

中圖分類號：TV145.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0056-02

1 ?泥沙滯留層

利用小浪底水庫進行調(diào)水調(diào)沙，減少黃河下游河道泥沙淤積，是小浪底水利樞紐工程的主要任務(wù)之一，也是黃河治理的重要舉措。異重流排沙是減少水庫淤積的一條重要途徑，小浪底水庫庫底縱比降大，水庫蓄有大量清水，當(dāng)上游來水來沙具備一定的條件，就會產(chǎn)生異重流。異重流結(jié)束后，由于水流及泥沙的慣性作用，滯留水庫的懸浮泥沙形成滯留層，并持續(xù)至泥沙沉積穩(wěn)定。小浪底水庫每年開展淤積測驗2～3次，洪水期、汛后水庫淤積測驗水深受泥沙滯留層影響較大，特別是訊后淤積測驗，異重流滯留層對水深測驗影響更為明顯。

2 ?測驗儀器的率定和比測技術(shù)分析

小浪底水庫淤積斷面水深，受測驗方式、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)比測等因素影響較大，特別是河底滯留泥沙層不穩(wěn)定狀態(tài)對確定水深影響更為明顯。

小浪底水庫經(jīng)過淤積后，有些部位仍達(dá)60m以上，由于存在泥沙滯留層，普通測深儀測驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。小浪底水庫測驗淤積測驗使用的主要測深儀器包括測深桿、測深錘、鉛魚、測深儀等。通過試驗分析各種儀器設(shè)備測得的水深，統(tǒng)一水深測驗的標(biāo)準(zhǔn)非常必要。

2.1 比測要求

水文測驗規(guī)范規(guī)定使用記數(shù)設(shè)備和測深儀等儀器測量水深必須進行率定和比測工作。率定的目的是尋求測驗儀器記錄值與實測值的關(guān)系。比測的目的是檢驗記錄值和實測值的誤差，并修正記錄值消除系統(tǒng)性誤差。

2.2 比測實踐操作

為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，選用水深分辨率較高穩(wěn)定的雙頻回聲測深儀，其工作原理為換能器從水面向水底發(fā)射聲波，聲波傳到水底界面被反射，再回到換能器被接收，記取聲波傳輸時間換算水深。超聲波測深儀高頻（208kHz）最大測量水深與水體含沙量及泥沙顆粒平均粒徑之間的定量關(guān)系，在一定條件下，低頻（41kHz）超聲波能夠穿透較大含沙量水體的實測數(shù)據(jù)，在相對靜止且具有較大含沙量水體的某一深度處，存在著一層含沙量梯度很大的高含沙水層。使用超聲波測深儀測深時必要時需采用具有較低頻率的雙頻測深儀才能測到真實的底部。通過計算機測深儀軟件界面，可輸出河底水深圖形，對河底懸沙至硬河床，清晰可見，通過比側(cè)回聲測深儀能過提供相對穩(wěn)定的淤積界面，為軟泥層水深比測界定提供技術(shù)幫助。

在使用回聲測深儀前，進行轉(zhuǎn)速校正、臂長校正、零線校正、換能器安裝垂直的檢查和深度比測等。比測是生產(chǎn)工作必須完成的規(guī)定項目，水深比測的質(zhì)量直接影響水深測驗的精度。水庫測驗水深變幅大，測驗最大水深80m，岸上校正的水深不適用水下水深測量，測驗中總結(jié)出水下比測的行之有效的方法。

小浪底水庫回聲測深儀測深主要以鉛魚測得水深為基準(zhǔn)進行比側(cè)。鉛魚對軟泥層感應(yīng)主要受拖浮力影響，使用回聲測深儀測深能夠測到軟泥層的層次輪廓，實踐中采用經(jīng)驗法和水下軟泥層痕跡線目測法確定比側(cè)水深。

2.3 滯留層下水深比測分析

為說明測驗中水深測驗誤差情況，選取庫區(qū)測驗時實測數(shù)據(jù)。選取距離小浪底大壩上游6.54km黃河淤積測驗斷面，測取1條垂線水深、泥沙數(shù)據(jù)，（見表1）。

測驗時滯留層界面附近流速為零，從上表可以看出，鉛魚著床硬底施測水深55.1m，回聲測深儀施測水深52.8m，水深52.2m是清渾水界面以下軟泥層的上表面，層內(nèi)含沙量變幅極大，當(dāng)含沙量接近300kg/m3時，回聲測深儀不能穿透。兩種儀器測深差2.3m，主要原因是鉛魚能夠進入滯留泥沙層。通過實測數(shù)據(jù)說明，在泥沙滯留層影響下，不同含沙量處水深是變化的。當(dāng)采用不同的儀器設(shè)備、觸底方式，測出的水深是不同的，主要影響因素為水深底面的確定。因此，當(dāng)小浪底水庫異重流過后泥沙滯留層水深測驗需要引起重視，當(dāng)采用年度淤積量計算階段或多年庫容總淤積量是應(yīng)分析泥沙滯留層脫水縮小體積的影響。

3 ?測深誤差的控制

根據(jù)實踐工作經(jīng)驗生產(chǎn)中控制測深誤差的手段主要有：

（1）根據(jù)水深、流速和庫底泥沙組成情況，選用不同的測深工具。水深較淺時，測深桿、測深錘準(zhǔn)確性更高。庫底為淤積軟泥層時，應(yīng)使所選用的不同測驗工具，對軟泥面具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。小浪底水庫水深測驗以穩(wěn)定的鉛魚測深為比測基準(zhǔn)。（2）小浪底水庫水庫測深已廣泛采用回聲測深儀，因回聲測深儀型號不同，其功率、頻率和測深精度有差異，根據(jù)庫底泥沙組成情況（有無軟泥層）和精度的不同要求主要選用320和Hyd 500雙頻回聲測深儀，測深效果較好。回聲測深儀選用后，不宜隨意更換。如需要換新儀器時，須用原儀器和其他測深工具與之比測無誤后，再行使用。（3）回聲測深儀換能器的功率、頻率不同，庫底軟泥面對聲波的反射系數(shù)亦不同，致使測深結(jié)果不一樣。各水庫可根據(jù)淤積泥沙沉積穩(wěn)定時的軟泥層淤積面為準(zhǔn)，進行試驗比測，選用合適的測深儀。在選擇測深儀時，還應(yīng)注意回聲測深儀的測深誤差，對測定庫容和測定淤積厚度精度的不同影響。（4）通過試驗分析，臨時制定小浪底水庫淤積測驗項目采用一致的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或制定小浪底水庫水深測量技術(shù)要求，并逐步完善。

4 ?結(jié)語

加強小浪底水庫泥沙滯留層測驗，通過試驗選用智能化高精度測深儀。選用測深儀圖像信息能夠清晰顯示河底滯留泥沙層，可幫助判斷識別河底界面，基本認(rèn)定河底底面。同時，結(jié)合比測實驗確定不同儀器設(shè)備測驗要求，能夠測定基本一致的泥沙底面。開展滯留層的泥沙濃度標(biāo)定，分析泥沙滯留層對水深測驗的影響分析，分析泥沙滯留層底面泥沙濕容重，獲得定量數(shù)據(jù)，用于修正水深測驗，為創(chuàng)新水深測驗方式、測驗儀器創(chuàng)造條件。通過試驗分析資料，編制小浪底水庫淤積測驗水深測驗技術(shù)要求，統(tǒng)一水深測驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)小浪底水庫不同測驗項目水深測驗，提高小浪底庫區(qū)水文測驗精度，為小浪底水庫排沙減淤服務(wù)。

參考文獻

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[2] 水利部水文局.水庫水文泥沙觀測規(guī)范[S].（SL339-2006）.北京：水利電力出版社，2015.

[3] 水利部.河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范[S].（GB/T 32555-2016）.北京：中國計劃出版社，2016.