田進(jìn)寶

(寧夏水文與水資源監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，寧夏 中衛(wèi) 755200)

1 概 述

衛(wèi)寧灌區(qū)位于寧夏中部，在寧夏境內(nèi)沿黃灌區(qū)最上游，屬寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)和中寧縣境內(nèi)，是黃河沖積平原自流灌區(qū)。該灌區(qū)自西向東帶狀分布，總面積700 km2以上。年降雨量180～367 mm左右，主要集中在夏季。年蒸發(fā)量1 100～1 800 mm，屬于半干旱地帶。境內(nèi)氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懠撅L(fēng)區(qū)。主要特點(diǎn)是：冬長(zhǎng)夏短，溫差較大，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，光照充足，熱量豐富。年平均氣溫9.1℃，最高極值38.5℃，最低極值-26.7℃，7月份的平均氣溫23.4℃，1月份平均氣溫-7.4℃。中衛(wèi)市西北部騰格里沙漠邊緣衛(wèi)寧北山面積12×104hm2，占全市土地總面積的7%；中部衛(wèi)寧黃河沖積平原10×104hm2，占全市土地總面積的5.9%；位于山區(qū)與黃河南岸之間的臺(tái)地6×104hm2，占全市土地面積的3.5%；南部隴中山地與黃土丘陵面積142.45×104hm2，占全市土地面積的83.6%。衛(wèi)寧灌區(qū)土層是第四系松散沉積物，平均厚度120 m左右。上層為全新統(tǒng)早期黃河沖積層，上部細(xì)粒相巖性為黏砂土及粉細(xì)砂，平均厚度3 m左右。且土壤鹽漬化不斷加重。

2 旋槳流速儀衛(wèi)寧灌區(qū)測(cè)流分析

2.1 旋槳流速儀測(cè)流優(yōu)勢(shì)

旋槳流速儀的特點(diǎn)是體積比較小，造型十分輕巧，單人便可攜帶，且結(jié)構(gòu)緊湊、精密，攜帶使用方便，適用于小河流、大河枯水期淺灘、灌排渠道、水利調(diào)查、徑流實(shí)驗(yàn)等水文作業(yè)，同時(shí)還被廣泛應(yīng)用到測(cè)試中小型泵站效率的管流測(cè)量和水力機(jī)械的效率實(shí)驗(yàn)中。另外，環(huán)保部門的污水監(jiān)測(cè)、滲水流量測(cè)量，也會(huì)經(jīng)常使用。水文測(cè)驗(yàn)工作中，該儀器廣泛用于農(nóng)田灌溉的小渠道測(cè)流、排水溝道的測(cè)流等。由于儀器轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)密封性能優(yōu)良，在引用黃河水灌溉的灌區(qū)，水流含沙量達(dá)20 kg/m3，儀器仍能正常工作。

水文行業(yè)發(fā)展至今，測(cè)驗(yàn)儀器經(jīng)歷了很多代的更迭，現(xiàn)在已經(jīng)有非常先進(jìn)的儀器支撐測(cè)驗(yàn)業(yè)務(wù)，但旋槳流速儀依然承擔(dān)著非常主要的測(cè)流任務(wù)。在進(jìn)行某些排水溝道、細(xì)小河流的測(cè)流任務(wù)時(shí)，旋槳流速儀具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。它不僅體量小易攜帶而且相對(duì)某些局限性較大的測(cè)流儀器具有較高的精確度。在排水溝道尋找合適測(cè)流斷面時(shí)便于攜帶，并且安裝簡(jiǎn)單，操作方便，大大提升了測(cè)流效率。通常一到兩人便可完成測(cè)流任務(wù)，特殊情況下一人也可完成。衛(wèi)寧灌區(qū)排水溝道以及引黃渠道眾多，且多位于比較偏僻地段，旋槳流速儀的使用大幅降低了測(cè)流工作強(qiáng)度。

2.2 測(cè)流短板

旋槳流速儀的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，但在某些特殊環(huán)境下依然存在一些不可忽視的短板。在寧夏中衛(wèi)市衛(wèi)寧灌區(qū)進(jìn)行測(cè)流作業(yè)時(shí)，由于旋槳流速儀的儀器結(jié)構(gòu)或者材質(zhì)屬性使得流速儀在某些特殊環(huán)境測(cè)流任務(wù)中稍顯不足。如清水河流域變化莫測(cè)的含沙量、冬季氣溫、各個(gè)排水溝的水質(zhì)、復(fù)雜的溝道條件等對(duì)測(cè)流精度都有很大影響。下面從這些特定情況下分析測(cè)流時(shí)流速數(shù)據(jù)精確度不足的問(wèn)題。

2.2.1 含沙量

衛(wèi)寧灌區(qū)位于黃土高原中部、騰格里沙漠邊緣，黃河穿插而過(guò)。分析土壤情況可知，衛(wèi)寧灌區(qū)河流、溝道、排水溝含有大量泥沙，雖然旋槳式流速儀適用含沙量較大的水流條件下，但是長(zhǎng)時(shí)間的使用以及儀器老舊等原因都將直接影響測(cè)流精度。以清水河流域泉眼山水文站為例：

泥沙分為懸移質(zhì)泥沙與推移質(zhì)泥沙。由中國(guó)水利水電出版社2010年6月第一版《河流動(dòng)力學(xué)》第六章懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)和水流挾沙力：實(shí)測(cè)資料表明江河中輸送的泥沙，懸移質(zhì)占主要部分。在沖積平原河流懸移質(zhì)泥沙含量一般為推移質(zhì)泥沙的幾十倍至上百倍。

清水河多年平均含沙量為216 kg/m3。旋槳式流速儀測(cè)流時(shí)與推移質(zhì)泥沙無(wú)直接關(guān)系，此處可全部視為懸移質(zhì)泥沙。

二維恒定均勻流中平衡情況下含沙量沿垂線分布，所以不同深度含沙量不同。一般理解的含沙量是一個(gè)比較整體的概念，而采用沿垂線分布的不同含沙量可以精確得知旋槳流速儀測(cè)流處的具體含沙量。

公式如下：

根據(jù)羅斯方程作出的假設(shè)，并采用卡門-普蘭特對(duì)數(shù)流速分布公式，通過(guò)換算計(jì)算得出如下羅斯公式：

根據(jù)該式計(jì)算得出的相對(duì)含沙量沿垂線分布圖見(jiàn)圖1。

圖1 相對(duì)含沙量沿垂線分布圖

清水河泉眼山處使用旋槳流速儀時(shí)，使用相對(duì)水深為0.6。

由概述結(jié)合圖1，因衛(wèi)寧灌區(qū)土質(zhì)為黏砂土及粉細(xì)砂，因此重力作用較小，清水河流條件較復(fù)雜，紊動(dòng)系數(shù)較大。因此，懸浮指標(biāo)較小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在0.125左右。但為保證計(jì)算精確，將圖1中各懸浮指標(biāo)數(shù)值下的相對(duì)含沙量與絕對(duì)含沙量均代入計(jì)算。

清水河流域多年平均含沙量為216 kg/m3；來(lái)洪時(shí)，瞬時(shí)含沙量超過(guò)1 000 kg/m3，含沙量最低時(shí)低于1 kg/m3。計(jì)算時(shí)，選擇多年平均含沙量計(jì)算。

由圖1可知，相對(duì)水深0.6處，含沙量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 含沙量沿垂線計(jì)算表

通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)懸浮指標(biāo)在值為0.125時(shí)，絕對(duì)含沙量為142.56 kg/m3。而常用的各種型號(hào)的旋槳流速儀使用最大含沙量一般不超過(guò)50 kg/m3，明顯大于旋槳流速儀使用最大限制含沙量。甚至懸浮指標(biāo)大于0.125時(shí)，仍存在絕對(duì)含沙量大于流速儀使用限制含沙量的情況。因此，汛期水流變大，含沙量較復(fù)雜時(shí)，旋槳流速儀的使用將受到直接影響。雖然含沙量最低時(shí)，流速儀處在可使用限制含沙量范圍內(nèi)，但是清水河水流條件復(fù)雜，尤其夏季含沙量變化迅速，因此無(wú)法在測(cè)流前得知準(zhǔn)確含沙量。此時(shí)使用旋槳流速儀會(huì)對(duì)測(cè)流數(shù)據(jù)的精確度有一定的影響，并且可能對(duì)儀器造成不可逆損傷，大大縮短流速儀使用壽命。

2.2.2 氣 溫

衛(wèi)寧灌區(qū)位于寧夏中部，冬季平均氣溫低于0℃,1月份平均溫度-7.4℃，極端低溫-26.7℃以下。這樣的氣溫直接限制了冬季測(cè)流。

當(dāng)冬季外出測(cè)流時(shí)，氣溫低于零度，流速儀上附著的水非常容易結(jié)冰。當(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃時(shí)，測(cè)流過(guò)程中，當(dāng)移測(cè)下一個(gè)點(diǎn)的流速時(shí)，流速儀暴露在空氣中短短3 s便可在流速儀表面形成一層薄薄的冰膜，旋轉(zhuǎn)支承部件縫隙內(nèi)的少量水也會(huì)被凝結(jié)成細(xì)小的冰粒。冰膜會(huì)將旋槳流速儀的前端旋轉(zhuǎn)部分和后端固定的身架部分黏合在一起，當(dāng)再次旋轉(zhuǎn)流速儀的槳頭時(shí)，雖然冰膜和冰粒都會(huì)破碎，但覆蓋其上還是會(huì)影響槳頭的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋槳流速儀在水流的沖刷下旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)受到冰膜和冰粒的影響。見(jiàn)圖2。

圖2 冰膜附裹的流速儀

當(dāng)旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)角速度ω，同時(shí)冰膜所連接的旋槳部分會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反方向的摩擦力f。即使冰膜破碎，依然會(huì)黏附在流速儀表面，同時(shí)旋轉(zhuǎn)支承部件間的縫隙也會(huì)有少量的碎小冰粒增大摩擦力。

因?yàn)樾龢魉賰x的工作原理是水流產(chǎn)生的動(dòng)力推動(dòng)旋槳旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)發(fā)訊結(jié)構(gòu)發(fā)出信號(hào)得知流速。而冰膜的覆蓋使得測(cè)流的精確性受到影響。

1月6日在馬路灘溝排水溝測(cè)流時(shí)，氣溫過(guò)低產(chǎn)生了冰膜和冰粒。為驗(yàn)證低溫凝結(jié)的冰膜以及冰粒對(duì)測(cè)流精度的影響，利用氣溫在-10℃仍能正常工作的LS45A型旋杯式流速儀與LS10型旋槳流速儀測(cè)流進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 旋槳流速儀與小浮標(biāo)測(cè)得流量對(duì)比

通過(guò)LS45A型旋杯式流速儀比測(cè)發(fā)現(xiàn)，受流速儀表面冷凍結(jié)冰而引起的測(cè)量誤差十分巨大，較真實(shí)流速可能小了不止一倍，數(shù)據(jù)誤差過(guò)大甚至失去了測(cè)量意義。

因此，衛(wèi)寧灌區(qū)冬季在氣溫過(guò)低的情況下使用旋槳流速儀時(shí)，存在很大的缺陷，測(cè)量數(shù)據(jù)失真，影響黃河灌排水量的統(tǒng)計(jì)。

2.2.3 水 質(zhì)

水質(zhì)對(duì)旋槳流速儀的影響是比較緩慢的，水中離子間的互相反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一些不溶物。pH值偏堿性，提供了一部分OH-，而水中的Mg2+、Ca2+會(huì)在堿性環(huán)境下產(chǎn)生沉淀。流速儀的密閉性雖然較好，但如果旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水進(jìn)入到流速儀內(nèi)部，在這種情況下經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程會(huì)在流速儀內(nèi)部精密結(jié)構(gòu)間形成附著物，增大旋槳旋轉(zhuǎn)的摩擦力；同時(shí)也可能包裹發(fā)訊結(jié)構(gòu)的接觸部件，從而損壞流速儀或者使得流速儀測(cè)流精度受到影響。

2.2.4 溝道條件

衛(wèi)寧灌區(qū)有20多條排水溝，大多沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的整治，因此溝底復(fù)雜，高低起伏。例如紅土橋子排水溝，溝底有大量的高低不齊的石塊，這使得水流條件變化莫測(cè)。原本平穩(wěn)規(guī)律的水流會(huì)在河底條件的影響下翻滾旋轉(zhuǎn)，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)水流較大但流速儀旋槳不旋轉(zhuǎn)的情況。

還有部分排水溝因?yàn)樗鬏^小，水深較淺，測(cè)流十分困難。例如堿水溝，3月初測(cè)流時(shí)，水流較寬處也不到2 m，而且水深在10 cm以下。尋找合適的溝道斷面十分困難，水流較深處多為水流沖刷的水槽，水流條件根本不適合測(cè)流，而大大增加了測(cè)流難度。見(jiàn)圖3。

圖3中的這種情況形成復(fù)雜的紊流，只有接近水面的水層水流較為規(guī)律。當(dāng)測(cè)量相對(duì)水深為0.6處的流速時(shí)，水面以下各個(gè)水層水流方向不一，甚至?xí)ハ嘤绊懀嗷サ窒魉?。這時(shí)流速儀的旋轉(zhuǎn)速度忽快忽慢，極其不規(guī)律。

圖3 水槽水流圖

另有排水溝由于水面較寬，人工涉水測(cè)流時(shí)，會(huì)慢慢偏離既定斷面，加之河底條件復(fù)雜，此時(shí)的數(shù)據(jù)并不具有代表性。如中衛(wèi)第一排水溝，溝底平均寬度將近20 m，很難保證施測(cè)點(diǎn)全部在該斷面上。而溝底坑坑洼洼，如若后面幾個(gè)測(cè)點(diǎn)偏離前幾個(gè)測(cè)點(diǎn)所在的直線，那么所測(cè)得的水深便不具有代表性，猜想所測(cè)得流速也有一定差別。

在中衛(wèi)第一排水溝分別兩次在同一斷面測(cè)水深，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 斷面水深測(cè)量對(duì)比表

測(cè)量結(jié)果對(duì)比顯示，隨著起點(diǎn)距逐漸變大，相應(yīng)的測(cè)量水深也不斷變化。加之溝底條件復(fù)雜，水流紊亂，此時(shí)利用旋槳流速儀測(cè)得流量誤差較大。因此，數(shù)據(jù)的有效性會(huì)受到影響。

3 結(jié)論及建議

衛(wèi)寧灌區(qū)作為寧夏沿黃第一個(gè)自流灌區(qū)，測(cè)流精準(zhǔn)是十分重要的。但是由于這些特殊的地理、氣溫等原因造成測(cè)流精準(zhǔn)度不高的現(xiàn)象可能會(huì)影響水量的統(tǒng)計(jì)，因此選擇合適的測(cè)流儀器十分重要。

對(duì)于含沙量較高的情況，應(yīng)該精準(zhǔn)施測(cè)。含沙量偏大時(shí)，可采用其他儀器，避免旋槳流速儀被損壞。溝道條件不佳的可通過(guò)溝道整治的方式來(lái)解決，但是經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較差。因氣溫較低和水質(zhì)導(dǎo)致流速儀測(cè)流問(wèn)題的，可通過(guò)改良流速儀密閉性或者使用斥水材料來(lái)解決。