淮河盱眙站流量测验方法思考

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　　 摘要：淮河盱眙站作为入洪泽湖最后的水文监测站，多年来受传统测流方法的多种制约性因素限制，流量测验工作未能开展。新型测流设备ADCP的应用弥补了传统测流方法的不足，该设备具有测流历时短、精度高、使用方便等优点。经过几年的实际应用，效果良好，可应用于盱眙站的流量测验。
　　 关键词：ADCP；流量；测验；方法
　　 盱眙水位站设立于1912年4月，至今已有近百年的历史，为中央级报汛站。多年来，特别是新中国成立以来，在防汛抗洪和水利建设中发挥了重要作用。但作为淮河干流入洪泽湖的一个重要水情控制站，长期以来监测项目仅有水位、雨量、水质。随着经济社会的发展和治水思路的转变，现有监测项目已不能适应防汛调度、水资源管理和水环境保护的新要求。根据2011年3月制定的《江苏省水文站网规划》，该站将升级为水文站，升级后将增加流量、泥沙、蒸发等测验项目。
　　 一、河段基本概况
　　 盱眙水位站距下游淮河河口26km，距上游蚌埠闸159km。盱眙水位站以上区间集水面积较大，自蚌埠闸至淮河入洪泽湖口185km，河段有池河、北肥河两个较大支流汇入，还有濠河、板桥河、小溪河等支流汇入，北面与浍河之间也有水量交换，区间面积约7000km2范围内未设站控制，水量难以算清。借用蚌埠闸流量在精度上不能满足我省掌握淮河干流入洪泽湖水量控制的需求，也无法掌握沿程水文要素变化规律。如需掌握淮河干流入湖水量最直接的办法就是进行流量测验。
　　 淮河是洪泽湖的主要入湖河流，入湖水量约占洪泽湖总入量70％，对以洪泽湖为中心的防洪调度、水资源管理地位举足轻重。淮河到盱眙县境内基本为干流末端，河道弯曲呈“U”形，自花园嘴附近至入湖口约50km河段有多处河心洲，将河道分成多条岔道，断面地形复杂，呈现河道分支多、跨度大、河中有滩、滩中有河的特点。在盱眙水位站处断面，淮河在这里被分隔成三股，即主淮河、次淮河和溜子河。其中主淮河和次淮河在盱眙淮河大桥上游有一段单一河段，断面宽约650m，溜子河在蛤滩村附近有一段单一河段，断面宽500―600m，在这两个河段上设置断面可以控制整个淮河来水。但溜子河段河道断面较宽且不规则，交通也不方便，比较而言，在溜子河大桥附近断面比较规则且只有295m宽，只是中间又多出一条扁担河(详见附图1)。
　　
　　
　　 二、流量测验方法
　　 1、传统流量测验方法
　　 传统的河流流量测量方法是在测流断面上布设多条垂线。在每条垂线处测量水深，获得断面面积；用流速仪测量一至几个点的流速，得到垂线平均流速。进而获得断面平均流速。流量则由断面面积和断面平均流速的乘积得到。实施这种传统的流量测验方法一般采用架设缆道测流或船测。根据初步测量的河道断面图，在主淮河（含次淮河）测流时需布设11～15条测速垂线，溜子河需布设9～11条测速垂线，每条垂线按3点法测速。采用缆道测流方法时需考虑两组测验人员，每组安排2人。经估算，每次测流历时约需1.5小时。且缆道架设的难度大、基建费用高，同时测流缆道的运行维护保养困难多、成本高。如使用船测，一条船安排2人，考虑主淮河为通航河道，测流期间的安全受到影响，另外测船的定位困难，特别是在行洪期间，难以保证测船始终固定在所设定的测流点上，同时测流历时长，约需2小时。因此，在盱眙测流断面采用传统测流方法费工费时，效率低。
　　 多年来，淮安分局一直酝酿在盱眙断面开展入湖水量的监测，但鉴于常规测流方法的多种制约性因素，流量测验工作未能开展。
　　 2、ADCP流量测验方法
　　 （1） ADCP基本原理
　　 ADCP全称为Acoustic Doppler Current Profilers，即声学多普勒流速剖面仪，是二十世纪80年代初发展起来的一种新型测流设备。ADCP主要包括: ADCP换能器(4个探头)、操作软件系统、计算机及连接设备、供电（12V蓄电池）四部分。利用声学原理,ADCP向水体发射一个(一对或一组)声脉冲,这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波,并记录发射波与反射波之间的频率改变,这个频率改变即称多普勒频移,可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时,还向河底发射底跟踪声脉冲,测出ADCP安装平台(测船)的运动速度以及水深,然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。ADCP根据设定的一定厚度的深度单元，将测流断面分成若干个子断面，在每个子断面内测量垂线上一点或多点流速，从而得到子断面内的平均流速和流量，再以叠加的方法得到整个断面流量。
　　 （2）ADCP测流与传统测流比较
　　 相同点：ADCP测流与传统的人工船测、缆道测量的基本原理相同，都为流速－面积法。即在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并测量多点的流速，从而得到断面平均流速和流量。
　　 不同点及优势：①传统的流速仪法测流断面需固定且垂向于河岸；而ADCP测流不要求测流断面垂向于河岸，在合适的测流断面，测船行驶的轨迹可以是斜线或曲线，方便施测作业。②传统测流布设的测流垂线和测点是有限的，如溜子河布设测速垂线9～11条，每条垂线按3点法测速；而ADCP根据设定的深度单元厚度以及采样频率，所测的垂线可以很多，每条垂线上的测点可多达几十个，再用积分的方法求出断面流量，其准确度较流速仪有了很大提高。③对于繁忙的航道（盱眙主淮河）来说，传统的流速仪测流比较困难且存在安全隐患；而ADCP测流非常安全、快速，当装备有ADCP的测量船从河流某断面一侧航行至另一侧时（在盱眙主淮河断面仅需十分钟），即刻测出河流流量。④传统的河流流量测量后需手工计算、费工费时、效率低；而ADCP测流具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点，大大提高了工作效率。
　　 （3）ADCP测流精度控制体会
　　 ①走航式ADCP流量测验，应根据所测断面的水深、流速和含沙量等情况选用合适频率的声学多普勒流速仪。
　　 ②测验断面的选择、流量测次的布置应符合GB50179―93《河流流量测验规范》的要求，这是对固定测验断面及垂线所做的要求，与流速仪法相同。
　　 ③如有底沙运动或水体含沙量太大，ADCP底跟踪失效，需外接GPS和测深仪以提高垂线在断面上的位置精度和垂线在断面上的水深精度，这样断面部分面积的精度就提高了；当测验区域磁场异常，ADCP内置罗经定向失效，可外接GPS罗经，GPS罗经不受铁质船体和磁场的影响，这样流速矢量、船速矢量的精度得到大幅度的提升，流量的精度也就相应达到更高的要求。另外需注意外接设备的刷新频率宜大于ADCP的采样频率。
　　 ④ADCP入水深度应记至0.01m，水边距离应测量准确。ADCP入水深度、水边距离直接影响到流量测验断面的面积大小，这对流量的准确与否影响很大。因为面积权重远远大于流速权重。
　　 ⑤在测验前应根据断面情况、可能最大流速、测船动力情况和测验要求设置声学多普勒流速仪参数。在情况不明时，可以先按较大的数值设置参数，试测一次后，再按测得的水深、流速大小进行优化配置。这是最简单可行的办法。
　　 ⑥仪器操作人员应熟悉技术手册、掌握自检程序、合理配置参数，应能进行数据合理性检查、熟悉资料管理，应熟悉仪器的安装、拆卸、维护，以及掌握常见故障的排除等。
　　 ⑦船舶驾驶员应熟悉断面情况，熟悉测船性能，能按要求正确航行。

　　 （4）ADCP在盱眙断面流量测验中的应用
　　 淮河是洪泽湖的主要入湖河流，多年平均入湖水量的70％来自于淮河，以往对于这部分水量采用反演算的方法进行推算。即以洪泽湖为水量平衡控制节点，用已知的出湖水量（包括取用水）、部分入湖水量（包括濉河、老濉河、怀洪新河、徐洪河）、湖滨区间来水、洪泽湖水面产流以及洪泽湖蓄变量，用水量平衡方法推求未知的淮河入湖水量。在进行水量平衡计算时，对于沿湖取用水量采用的是调查统计资料，其用水量统计的精度不高；湖滨部分区间来水借用区域降雨径流模数进行计算，其来水量统计的精度也不高。导致采用反演算的方法推算淮河水量仍有一定的误差，且其统计周期一般以年统计，不能实时反映淮河来水量情况，如需获取准确、及时的来水量，最直接的办法就是进行流量测验。
　　 2006年，淮安分局配备了一套走航式ADCP，经过几年的实际应用，效果良好，特别是该设备在2007年淮河流域的洪水过程中提供了及时、准确度高的淮河流量资料，为洪泽湖的调度决策提供了基础水文数据，在战胜2007年淮河洪水中发挥了重要作用。
　　 2007年汛期，淮河流域发生自1954年以来第三大洪水，淮安分局对淮河盱眙断面运用ADCP进行流量测验。本次流量测验从2007年7月3日开始至8月31日结束，共施测流量34测次，实测最大流量7600m3/s。结合流量测验，对主淮河、次淮河、扁担河、溜子河开展了水位-流量分流比统计分析，四条河道平均分流比依次为52.2%、7.1%、0. 9%、39.7%，为进一步研究河道演变特点及趋势收集了宝贵的水文数据。同时与蚌埠闸流量进行比较，初步掌握淮河干流此次洪水的运动规律。通过流量测验数据统计，盱眙断面过水总量大部分来自于蚌埠闸下泄水量，其下泄水量占盱眙断面过水总量的93.1%。蚌埠闸至盱眙，起涨（4000 m3/s以下）时，由于淮河主干整体水位较低，洪水传播速度较快，传播平均时间仅为16小时左右；当水位上涨至一定程度（流量在4000―6000 m3/s）时，水位涨率变小，洪水传播速度减缓，传播平均时间为28小时左右，最长传播时间达34小时（流量为5000 m3/s）；当水位要涨至峰顶（流量超过6000 m3/s）时，水位涨率变大，洪水传播速度加快，传播平均时间为18小时左右。整个涨水段洪水传播平均时间约为24小时。落水时洪水传播平均时间约为116小时。
　　 三、结论与建议
　　 ADCP测流历时短、精度高，减轻了劳动强度，提高了工作效率。盱眙监测断面可以运用ADCP进行流量测验，对淮河主干入洪泽湖的水量进行计算与分析，可为洪泽湖的防汛调度积累准确、及时的水量数据信息。
　　
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