受水利工程影響的單沙取樣位置優(yōu)化方案

石明波 葉德旭 張 祎 黃忠新

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北宜昌 443000)

隨著長(zhǎng)江三峽水利樞紐的興建和運(yùn)行，河流在天然狀態(tài)下來(lái)水、來(lái)沙等方面均發(fā)生重大變化，特別是三峽和葛洲壩水利樞紐的聯(lián)合調(diào)度增大了水沙的調(diào)節(jié)力度，造成斷面含沙量變化較大，而沙峰持續(xù)時(shí)間短，即而出現(xiàn)時(shí)間較洪峰時(shí)間滯后、水文測(cè)驗(yàn)的時(shí)機(jī)不易把握，測(cè)驗(yàn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度也相應(yīng)增加等問(wèn)題。本文就三峽河段的廟河、黃陵廟和宜昌3個(gè)水文站單樣含沙量的取樣位置進(jìn)行優(yōu)化分析，以達(dá)到合理布置測(cè)次、較好地控制泥沙過(guò)程、減輕測(cè)站職工勞動(dòng)強(qiáng)度以及節(jié)約水文生產(chǎn)成本的目的。

1 測(cè)站概況及取樣方法

(1)廟河水文站位于湖北省宜昌市三峽庫(kù)區(qū)，集水面積約100.27萬(wàn)km2，處于長(zhǎng)江上游干流下段，測(cè)驗(yàn)斷面在三峽大壩上游約12.6km，是三峽工程專(zhuān)用水文站，應(yīng)采用巡測(cè)方式進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。單樣含沙量的取樣方法為斷面起點(diǎn)距170、350、470 m，即在每條垂線相對(duì)位置 0.2、0.6、0.8處按 1∶1∶1 垂線混合法取樣，單樣含沙量則采用算術(shù)平均法計(jì)算。

(2)黃陵廟水文站位于湖北省宜昌市樂(lè)天溪鎮(zhèn)下岸溪村，集水面積為約 100.28萬(wàn)km2，也處于長(zhǎng)江上游干流下段，測(cè)驗(yàn)斷面在三峽大壩和葛洲壩之間，上距三峽大壩12km、下距葛洲壩26km，是國(guó)家一類(lèi)基本水文站。單樣含沙量的取樣方法為斷面起點(diǎn)距230、310、390 m，即在每條垂線相對(duì)位置0.2、0.6、0.8處按2∶1∶1 垂線混合法取樣，單樣含沙量同樣采用算術(shù)平均法計(jì)算。

(3)宜昌水文站位于湖北省宜昌市濱江公園，集水面積約 100.56萬(wàn)km2，處于長(zhǎng)江中游干流上段，測(cè)驗(yàn)斷面在葛洲壩下游約6km，是國(guó)家一類(lèi)基本水文站。單樣含沙量的取樣方法為斷面起點(diǎn)距310、550、700 m，即在每條垂線相對(duì)位置0.2、0.6、0.8處按2∶1∶1垂線混合法取樣，單樣含沙量采用部分流量加權(quán)法計(jì)算。

2 取樣位置的確定

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》第7.6.2條規(guī)定［1］:斷面比較穩(wěn)定、主流擺動(dòng)不大的站，應(yīng)選擇能代表各級(jí)水位、各級(jí)含沙量的輸沙率資料，繪制垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的比值(Csm/ˉCs)橫向分布圖，在圖上選擇Csm/ˉCs值最為集中，且等于1處，確定一條或兩條垂線，作為單樣取樣位置。根據(jù)該規(guī)定，繪制了上述3個(gè)水文站2004～2007年斷面上各條垂線平均含沙量與斷面平均含沙量比值(Csm/ˉCs)的橫向分布圖，結(jié)果顯示，3個(gè)水文站除左岸或右岸3、4條垂線偏離比例系數(shù)1的次數(shù)較多外，中間其余各條垂線比例系數(shù)在0.900～1.100的頻數(shù)均達(dá)70.0%以上，較集中。

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》第4.4.2條規(guī)定［1］:單樣含沙量測(cè)驗(yàn)的垂線取樣方法，應(yīng)與輸沙率測(cè)驗(yàn)的垂線取樣方法一致，其中一類(lèi)站的單樣含沙量測(cè)驗(yàn)，不得采用一點(diǎn)法。依據(jù)上述單沙測(cè)驗(yàn)位置選擇要求和對(duì)Csm/ˉCs橫向分布圖的分析，3個(gè)水文站各選取了二線法和一線法兩種方案，在每條垂線相對(duì)位置 0.2、0.6、0.8處按2∶1∶1(廟河水文站按1∶1∶1)垂線混合法取樣，單樣含沙量采用算術(shù)平均法計(jì)算并進(jìn)行分析，然后與現(xiàn)用的三線法并進(jìn)行比較，以確定最恰當(dāng)?shù)膯紊橙游恢谩?/p>

用以上3種方法分別計(jì)算其比例系數(shù)，當(dāng)含沙量小于0.100 kg/m3時(shí)，比例系數(shù)超限的次數(shù)較多，且均勻分布在比例系數(shù)為1的兩側(cè)，由于含沙量較小，計(jì)算出的輸沙量值與實(shí)際值相差非常小，可忽略不計(jì)。所以選取含沙量不小于0.100 kg/m3時(shí)測(cè)次參加統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表1。

表12004～2007年各水文站單沙測(cè)驗(yàn)比例系數(shù)值統(tǒng)計(jì)

由表1可以看到，各水文站3種方法的比例系數(shù)頻數(shù)比較接近，線數(shù)越多則精度越高，但相差不大，從方案優(yōu)化和提高工作效益的角度看，可節(jié)約人力、物力的需求，各站均選用一線法進(jìn)行可行性分析。

3 精度分析

對(duì)2008年3個(gè)水文站實(shí)測(cè)成果中一線法的單樣含沙量與斷面平均含沙量建立單斷沙關(guān)系曲線，并進(jìn)行了3種檢驗(yàn)。同時(shí)，與現(xiàn)用的取樣方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析(見(jiàn)表2)。

表22008年各水文站單斷關(guān)系整編程序檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表3可以看出，3個(gè)水文站用一點(diǎn)法計(jì)算的單樣含沙量與斷面含沙量的關(guān)系系數(shù)與現(xiàn)用的三點(diǎn)法的單斷沙關(guān)系系數(shù)相同，并均能通過(guò)符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)及偏離數(shù)值檢驗(yàn)，其系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度也滿足水文整編規(guī)范的要求。

采用一點(diǎn)法計(jì)算的單樣含沙量和現(xiàn)用的單樣含沙量測(cè)驗(yàn)方法(即三線法)分別對(duì)3個(gè)水文站2008年的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了整編，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3中可以看出，3個(gè)水文站用一點(diǎn)法和現(xiàn)用的三點(diǎn)法計(jì)算的單樣含沙量整編中，年平均含沙量均未發(fā)生變化，年平均輸沙率最大也僅相差0.010 t/s，最大日平均輸沙率、年懸移質(zhì)輸沙量和懸移質(zhì)輸沙模數(shù)基本相同，其最大相對(duì)誤差僅為1.7%，因此可采用兩種方法進(jìn)行整編，所得出的成果基本吻合。

表32008年各水文站不同單樣含沙量測(cè)驗(yàn)方法年整編成果比較

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)2004～2007年成果資料統(tǒng)計(jì)和分析，確定三峽河段的3個(gè)水文站可采用一線法進(jìn)行單樣含沙量取樣，并用一線法進(jìn)行單樣計(jì)算，對(duì)2008年資料進(jìn)行整編，與現(xiàn)在使用的三線法整編成果相比較，差異較小，結(jié)果完全符合測(cè)驗(yàn)和整編規(guī)范要求。

(2)從單次取樣時(shí)間看，原取樣方法每次取樣需用30 min，采用一點(diǎn)法取樣僅需用5 min，可見(jiàn)采用一線法作為單樣含沙量的取樣方法的優(yōu)化方案，與原方案作比較，可節(jié)省人力、減少勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效益。此外，在斷面含沙量變化急劇時(shí)，能更好地控制含沙量的變化過(guò)程。

［1］ 中華人民共和國(guó)水利部.GB50159－1992河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］.北京:水電出版社，1992.

［2］ 中華人民共和國(guó)水利部.SL247－19990水文資料整編規(guī)范［S］.北京:水電出版社，1999.