旋槳流速儀在衛(wèi)寧灌區(qū)測流過程中存在的問題及分析

田進(jìn)寶

(寧夏水文與水資源監(jiān)測預(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)。主要特點是：冬長夏短，溫差較大，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，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)測流分析

2.1 旋槳流速儀測流優(yōu)勢

旋槳流速儀的特點是體積比較小，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、徑流實驗等水文作業(yè)，同時還被廣泛應(yīng)用到測試中小型泵站效率的管流測量和水力機械的效率實驗中。另外，環(huán)保部門的污水監(jiān)測、滲水流量測量，也會經(jīng)常使用。水文測驗工作中，該儀器廣泛用于農(nóng)田灌溉的小渠道測流、排水溝道的測流等。由于儀器轉(zhuǎn)軸動態(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，測驗儀器經(jīng)歷了很多代的更迭，現(xiàn)在已經(jīng)有非常先進(jìn)的儀器支撐測驗業(yè)務(wù)，但旋槳流速儀依然承擔(dān)著非常主要的測流任務(wù)。在進(jìn)行某些排水溝道、細(xì)小河流的測流任務(wù)時，旋槳流速儀具有十分明顯的優(yōu)勢。它不僅體量小易攜帶而且相對某些局限性較大的測流儀器具有較高的精確度。在排水溝道尋找合適測流斷面時便于攜帶，并且安裝簡單，操作方便，大大提升了測流效率。通常一到兩人便可完成測流任務(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流工作強度。

2.2 測流短板

旋槳流速儀的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，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)行測流作業(yè)時，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)境測流任務(wù)中稍顯不足。如清水河流域變化莫測的含沙量、冬季氣溫、各個排水溝的水質(zhì)、復(fù)雜的溝道條件等對測流精度都有很大影響。下面從這些特定情況下分析測流時流速數(shù)據(jù)精確度不足的問題。

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。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，但是長時間的使用以及儀器老舊等原因都將直接影響測流精度。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。由中國水利水電出版社2010年6月第一版《河流動力學(xué)》第六章懸移質(zhì)運動和水流挾沙力：實測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。旋槳式流速儀測流時與推移質(zhì)泥沙無直接關(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-普蘭特對數(shù)流速分布公式，通過換算計算得出如下羅斯公式：

根據(jù)該式計算得出的相對含沙量沿垂線分布圖見圖1。

圖1 相對含沙量沿垂線分布圖

清水河泉眼山處使用旋槳流速儀時，使用相對水深為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，紊動系數(shù)較大。因此，懸浮指標(biāo)較小，根據(jù)經(jīng)驗在0.125左右。但為保證計算精確，將圖1中各懸浮指標(biāo)數(shù)值下的相對含沙量與絕對含沙量均代入計算。

清水河流域多年平均含沙量為216 kg/m3；來洪時，瞬時含沙量超過1 000 kg/m3，含沙量最低時低于1 kg/m3。計算時，選擇多年平均含沙量計算。

由圖1可知，相對水深0.6處，含沙量計算結(jié)果見表1。

表1 含沙量沿垂線計算表

通過計算可知，當(dāng)懸浮指標(biāo)在值為0.125時，絕對含沙量為142.56 kg/m3。而常用的各種型號的旋槳流速儀使用最大含沙量一般不超過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，仍存在絕對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，旋槳流速儀的使用將受到直接影響。雖然含沙量最低時，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，因此無法在測流前得知準(zhǔn)確含沙量。此時使用旋槳流速儀會對測流數(shù)據(jù)的精確度有一定的影響，并且可能對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流。

當(dāng)冬季外出測流時，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，測流過程中，當(dāng)移測下一個點的流速時，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)的少量水也會被凝結(jié)成細(xì)小的冰粒。冰膜會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，雖然冰膜和冰粒都會破碎，但覆蓋其上還是會影響槳頭的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋槳流速儀在水流的沖刷下旋轉(zhuǎn)時，會受到冰膜和冰粒的影響。見圖2。

圖2 冰膜附裹的流速儀

當(dāng)旋槳轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生一個角速度ω，同時冰膜所連接的旋槳部分會產(chǎn)生一個反方向的摩擦力f。即使冰膜破碎，依然會黏附在流速儀表面，同時旋轉(zhuǎn)支承部件間的縫隙也會有少量的碎小冰粒增大摩擦力。

因為旋槳流速儀的工作原理是水流產(chǎn)生的動力推動旋槳旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過發(fā)訊結(jié)構(gòu)發(fā)出信號得知流速。而冰膜的覆蓋使得測流的精確性受到影響。

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

表2 旋槳流速儀與小浮標(biāo)測得流量對比

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

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

2.2.3 水 質(zhì)

水質(zhì)對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)過一個較長的過程會在流速儀內(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，大多沒有經(jīng)過系統(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。原本平穩(wěn)規(guī)律的水流會在河底條件的影響下翻滾旋轉(zhuǎn)，有時甚至?xí)霈F(xiàn)水流較大但流速儀旋槳不旋轉(zhuǎn)的情況。

還有部分排水溝因為水流較小，水深較淺，測流十分困難。例如堿水溝，3月初測流時，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流，而大大增加了測流難度。見圖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)測量相對水深為0.6處的流速時，水面以下各個水層水流方向不一，甚至?xí)ハ嘤绊?，相互抵消流速。這時流速儀的旋轉(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，人工涉水測流時，會慢慢偏離既定斷面，加之河底條件復(fù)雜，此時的數(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，很難保證施測點全部在該斷面上。而溝底坑坑洼洼，如若后面幾個測點偏離前幾個測點所在的直線，那么所測得的水深便不具有代表性，猜想所測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水深，測量結(jié)果見表3。

表3 斷面水深測量對比表

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

3 結(jié)論及建議

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

對于含沙量較高的情況，應(yīng)該精準(zhǔn)施測。含沙量偏大時，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溝道整治的方式來解決，但是經(jīng)濟效益相對較差。因氣溫較低和水質(zhì)導(dǎo)致流速儀測流問題的，可通過改良流速儀密閉性或者使用斥水材料來解決。