洞庭湖區(qū)懸移質(zhì)輸沙率與流量異步測(cè)驗(yàn)探討

涂 盟，鄒 舟，曾憲虎，高建明，黃長(zhǎng)紅

（長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，武漢 430012）

1 引 言

河流泥沙測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)驗(yàn)主要項(xiàng)目之一，泛指流域和水體中泥沙隨水流運(yùn)動(dòng)的形式、數(shù)量及其演變過(guò)程的觀察和測(cè)量，主要包括懸移質(zhì)輸沙率、推移質(zhì)輸沙率、河床質(zhì)測(cè)定以及泥沙顆粒級(jí)配的分析。根據(jù)現(xiàn)在相關(guān)技術(shù)規(guī)定，各河流控制斷面懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)必須與流量測(cè)驗(yàn)同步進(jìn)行，以求得斷面平均含沙量。雖然我局目前含沙量測(cè)驗(yàn)有多種方法，但是由于各測(cè)站沒(méi)有在線間測(cè)儀器，測(cè)次只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布置，特別是在搶測(cè)沙峰時(shí)期，導(dǎo)致流量測(cè)次明顯偏多，生產(chǎn)成本增加。在保證泥沙測(cè)驗(yàn)與資料整編滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》與《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定的精度前提下，開展懸移質(zhì)輸沙率與流量異步測(cè)驗(yàn)分析，優(yōu)化流量測(cè)次，節(jié)約生產(chǎn)成本是可能的。下面以洞庭湖區(qū)南縣（羅文窖）站所收集的多年懸移質(zhì)輸沙率資料為依據(jù)，對(duì)河流懸移質(zhì)輸沙率與流量異步測(cè)驗(yàn)進(jìn)行分析。

2 南縣（羅文窖）站和測(cè)驗(yàn)河段及附近河流概況

南縣（羅文窖）站位于洞庭湖區(qū)藕池河（北支），于1947年設(shè)立，經(jīng)過(guò)1955年、1980年、1987年3次遷移后，最后改名為南縣（羅文窖）站。

南縣（羅文窖）站雖然為常年觀測(cè)站，正常年份5月底通流，10月底斷流。2009年以前流量按連時(shí)序法布置測(cè)次。在長(zhǎng)江水文大力提倡水文測(cè)驗(yàn)方式方法技術(shù)創(chuàng)新精神指導(dǎo)下，2008年洞勘隊(duì)組織人員對(duì)該站流量進(jìn)行了單值化分析，其分析方案經(jīng)上級(jí)技術(shù)部門審批后，于2009年投產(chǎn)。

南縣（羅文窖）站是控制藕池河（北支）的水、沙進(jìn)入東洞庭的國(guó)家基本水文站，屬二類流量、泥沙精度站。藕池河全長(zhǎng)約91km，自江波渡以下分為兩支，在本站上游約1km處九斤麻匯合，在南縣城關(guān)下游1km的魚尾洲，又分中、北二支，中支注入南洞庭湖，1978年堵死，1983年人工決壩，此后汛期又恢復(fù)通流。2000年冬，再次修筑沱江大堤將中支沱江入口堵死，并修筑引水涵閘（上壩），使得藕池河（北支）水、沙不經(jīng)過(guò)藕池河（中支）而直接輸入東洞庭。2001年冬，藕池河（北支）進(jìn)行河道整治及堤防護(hù)岸，原斷面右岸上游350m處一伸向河心的磯頭被削去。低水時(shí)期基本水尺斷面流向不再呈S型，測(cè)驗(yàn)河段順直，測(cè)流斷面在基本水尺斷面下游215m，河床由細(xì)砂組成，斷面有一定沖淤變化。南縣（羅文窖）水文站位置如圖1所示。

圖1 南縣（羅文窖）水文站位置示意圖

本分析根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》第3.1.1條規(guī)定：采用不同懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法測(cè)定斷面平均含沙量，均必須符合部份流量加權(quán)原理和精度要求。

3 分析目的

南縣（羅文窖）站駐守地距測(cè)驗(yàn)斷面有3km左右，正常情況下從駐守地開船出發(fā)完成一次測(cè)驗(yàn)過(guò)程回到駐守地所需時(shí)間3h左右，遇到特殊水情（漂浮物多、流速大）時(shí)，時(shí)長(zhǎng)達(dá)4h。該站測(cè)驗(yàn)斷面水位漲落變化頻繁，水、沙變化不同步的時(shí)段增多。懸移質(zhì)輸沙率與流量同步施測(cè)，勢(shì)必會(huì)造成測(cè)驗(yàn)歷時(shí)過(guò)長(zhǎng)，測(cè)驗(yàn)工作量增加，斷面平均含沙量變化過(guò)程不易抓到，降低了單次懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)精度，是存在的問(wèn)題之一；其二、該站從2009年開始流量按單一線布置測(cè)次，僅從流量測(cè)次布置情況來(lái)看，通流期內(nèi)布測(cè)20個(gè)測(cè)點(diǎn)就能滿足整編定線要求，但每年由于搶測(cè)沙峰，至少要多測(cè)流量20多次，增加測(cè)驗(yàn)成本；其三、將來(lái)要采用ADCP進(jìn)行橫渡法測(cè)流，實(shí)際上已經(jīng)造成了流量和懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)的不同步。因此，懸移質(zhì)輸沙率和流量異步施測(cè)，可以大大縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，減少外業(yè)測(cè)驗(yàn)工作量，提高單次輸沙測(cè)驗(yàn)成果的代表性，尤其是在搶測(cè)沙峰期間，可以提高單次輸沙測(cè)驗(yàn)成果精度，同時(shí)還為流量和含沙量快速監(jiān)測(cè)等新儀器的使用做好相關(guān)技術(shù)準(zhǔn)備。在控制測(cè)驗(yàn)方式能達(dá)到成果精度要求的前提下，改變測(cè)驗(yàn)方式方法提高測(cè)驗(yàn)精度是水文現(xiàn)代化建設(shè)的需要，也是水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

4 懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)情況

南縣（羅文窖）站懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)常規(guī)測(cè)驗(yàn)是在測(cè)流斷面起點(diǎn)距70m、100m、130m、160m、190m、220m、250m、280m、315m等9條固定線上進(jìn)行，根據(jù)水位變化情況，其中5～9條固定線按垂線混合法取樣，并同時(shí)施測(cè)垂線平均流速，采用流量加權(quán)法計(jì)算輸沙率求斷面平均含沙量。該站單斷沙關(guān)系較好，而且比較穩(wěn)定。

5 資料的選用

本次分析選用2008～2010年的實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙率資料。

在測(cè)驗(yàn)斷面較穩(wěn)定、河床沖淤變化不大，垂線平均流速橫向分布曲線在各水位級(jí)基本一致，懸沙測(cè)驗(yàn)垂線位置保持固定的情況下，則以取樣垂線分界的各部分流量占單次總流量的權(quán)重系數(shù)在各水位級(jí)、各測(cè)次應(yīng)當(dāng)是基本一致的，然而這樣的情形在天然河道極其少見(jiàn)。南縣（羅文窖）站測(cè)驗(yàn)斷面河床為細(xì)沙組成，河床為梯形斷面，河道有一定沖淤變化。水位～流量關(guān)系主要受洪水漲落影響和回水頂托影響，懸移質(zhì)輸沙根據(jù)水位變化情況，采用5～9條固定垂線進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。選用該站2008～2010年共61次懸移質(zhì)輸沙率及流量測(cè)驗(yàn)資料（因?yàn)槿龒{運(yùn)行后對(duì)洞庭湖洪水有顯著的調(diào)控作用，近幾年南縣（羅文窖）水位在35.00m以上時(shí)間不長(zhǎng)，且只有3次懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)資料，為保證分析成果可靠性，所以本次分析只統(tǒng)計(jì)水位在35.00m以下的情況），分別計(jì)算各測(cè)次相鄰取樣垂線間的部分流量占該測(cè)次總流量的權(quán)重系數(shù)。

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，單次流量各部分權(quán)重系數(shù)，與流量測(cè)驗(yàn)時(shí)的起點(diǎn)距定位、斷面沖淤變化、水深和垂線平均流速的測(cè)量精度有關(guān)。因此相同取樣垂線數(shù)各測(cè)次相同取樣垂線間的部分流量權(quán)重系數(shù)不穩(wěn)定，系數(shù)隨水位級(jí)不同而變化，根據(jù)斷面輸沙率和平均含沙量的計(jì)算公式所知，利用部分流量權(quán)重系數(shù)法推算斷面平均含沙量的誤差大小主要與部分流量權(quán)重系數(shù)的精度有關(guān)。通過(guò)對(duì)該站近3年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙率取樣垂線一致實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分組，再計(jì)算各組相同垂線間流量權(quán)重均值，作為該組垂線間部份流量權(quán)重系數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 南縣（羅文窖）站懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)垂線間部分流量權(quán)重系數(shù)表

6 平均含沙量測(cè)驗(yàn)精度評(píng)估

根據(jù)表1不同取樣垂線組分析出的流量權(quán)重系數(shù)成果，利用南縣（羅文窖）站2006～2010年實(shí)測(cè)年份的110次懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)資料，分別采用該組取樣垂線一致相同取樣垂線間流量權(quán)重系數(shù)推算斷面平均含沙量，并與實(shí)測(cè)的斷面平均含沙量進(jìn)行誤差分析計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 南縣（羅文窖）站懸移質(zhì)輸沙異步測(cè)驗(yàn)推算斷面含沙量成果誤差統(tǒng)計(jì)表

從表2誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，推算的斷面平均含沙量值與實(shí)測(cè)值誤差較小，其系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)不確定度均在規(guī)范規(guī)定的允許范圍內(nèi)，而且各年相對(duì)誤差在±3%以內(nèi)的測(cè)次均達(dá)到90%以上，最大絕對(duì)誤差為0.009kg／m3，沒(méi)有參與垂線間流量權(quán)重系數(shù)分析的2006、2007年所推算斷面平均含沙量，最大相對(duì)誤差為－3.03，絕對(duì)誤差為0.009，相對(duì)誤差小于3%的頻率達(dá)到97%。可見(jiàn)，采用部分流量權(quán)重系數(shù)法所推算斷面平均含沙量的測(cè)驗(yàn)精度較高。

7 結(jié) 論

用部分流量權(quán)重系數(shù)法推算斷面平均含沙量，其理論原理充分，在南縣（羅文窖）站運(yùn)用測(cè)驗(yàn)精度較高，作為南縣（羅文窖）站懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法的一種補(bǔ)充，在水沙變化不同步、斷面含沙量變化急劇時(shí)可以有效地增加懸移質(zhì)輸沙率測(cè)次，更好地抓測(cè)含沙量變化過(guò)程，提高懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)精度，同時(shí)為ADCP投產(chǎn)后的懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)找到了一種新的方法。本次分析懸移輸沙率與流量異步測(cè)驗(yàn)方案可以投產(chǎn)使用。但由于受上游水電工程的影響，洞庭湖區(qū)水沙特性有可能發(fā)生變化，在日常測(cè)驗(yàn)工作中每年要根據(jù)沙量級(jí)，適時(shí)用實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)資料對(duì)該方案的測(cè)驗(yàn)精度進(jìn)行驗(yàn)證，如發(fā)現(xiàn)有變化趨勢(shì)，應(yīng)及時(shí)重新分析，確定各懸沙取樣垂線間部分流量權(quán)重系數(shù)，以保證水文資料成果精度。

［1］SL195－97，水文巡測(cè)規(guī)范［S］.

［2］SL247－1999，水文資料整編規(guī)范［S］.

［3］GB50159－92，河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］.