螺山水文站采用流量權(quán)重系數(shù)推求斷沙的探討

吳隆學(xué)，朱熹華，劉繼軍，朱小榮

（長江中游水文水資源勘測局，武漢 430012）

1 引 言

目前螺山水文站根據(jù)《測驗(yàn)任務(wù)書》要求，懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)和計(jì)算采用的方法是與流量測驗(yàn)同步進(jìn)行，垂線平均含沙量一年除2～3次按選點(diǎn)法施測外，其余測次均按垂線混合法施測（即相對水深0.2、0.6、0.8各取1 000cm3垂線混合），然后采用部分流量加權(quán)法計(jì)算斷面平均含沙量。

流量測驗(yàn)以聲學(xué)多普勒流速剖面儀（簡稱ADCP）為主，備用測驗(yàn)方式為流速儀法?，F(xiàn)有懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)方法是在測流斷面起點(diǎn)距135、275、425、585、775、885、1 095、1 275、1 435、1 560m等10條固定垂線按3點(diǎn)法垂線混合法取樣，采用流量加權(quán)法計(jì)算輸沙率以推求斷面平均含沙量。懸移質(zhì)輸沙率資料整編采用單沙～斷沙關(guān)系曲線法。

隨著2003年三峽水庫工程蓄水運(yùn)行，螺山水文站懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)出現(xiàn)了如下新問題：①受三峽、葛州壩水庫調(diào)節(jié)影響，水、沙變化不同步的時(shí)段增多，有的時(shí)段沙量變化急劇，測次不易控制；有的時(shí)段沙峰過程時(shí)間較長，變化過程一般持續(xù)5～7天。懸移質(zhì)輸沙率與流量同步施測，勢必會造成流量測次增加，降低了含沙量單次成果精度。②采用ADCP進(jìn)行橫渡法測流，實(shí)際上已經(jīng)造成了流量和懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)的不同步。③螺山站流量已經(jīng)實(shí)行了單值化，流量測次相應(yīng)減少，若為了測懸移質(zhì)輸沙率而增加流量測次勢必增加測驗(yàn)成本。

采用流量權(quán)重系數(shù)推求斷沙，可以大大縮短測驗(yàn)歷時(shí)、減少外業(yè)測驗(yàn)工作量、提高單次輸沙測驗(yàn)成果的代表性，尤其是在搶測沙峰期間，可以提高單次輸沙測驗(yàn)成果精度，同時(shí)還為流量和含沙量快速監(jiān)測等新儀器的使用做好相關(guān)技術(shù)準(zhǔn)備。

2 推求的原理

《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》中第7.2.1條規(guī)定：采用選點(diǎn)法、垂線混合法與積深法測定垂線平均含沙量，并用流速面積法測流時(shí)，斷面輸沙率和斷面平均含沙量應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中，Qs為斷面輸沙率（t／s或kg／s）；Csm1、Csm2、...Csmn為斷面輸沙率（kg／m3或g／m3）；q0、q1、...、qn為以取樣垂線分界的部 分 流 量 （m3／s）；C-s為斷面平均含沙量（kg／m3或g／m3）；Q斷面流量（m3／s）。

部分流量權(quán)重系數(shù)法推求斷面平均含沙量的原理：采用實(shí)測懸移質(zhì)輸沙率資料，分析各取樣垂線間部分流量占斷面總流量的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)測沙垂線的垂線平均含沙量和部分流量權(quán)重系數(shù)計(jì)算斷面平均含沙量（仍符合《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》部分流量加權(quán)原理），因此將（1）式代入（2）式中，公式則變?yōu)椋?/p>

各部分流量權(quán)重系數(shù)分別以k0、k1、…、kn來表示，則：k0＝q0／Q；k1＝q1／Q；…；kn＝qn／Q；（3）式將變?yōu)椋?/p>

由以上推理可知：采用部分流量權(quán)重系數(shù)推求斷面平均含沙量在原理上是可行的，斷面平均含沙量的測驗(yàn)精度主要取決于權(quán)重系數(shù)的穩(wěn)定程度。

3 部分流量權(quán)重系數(shù)分析方法及系數(shù)確定

本次探討樣本選用螺山站2006～2011年共156次懸移質(zhì)輸沙率及流量測驗(yàn)資料，分別計(jì)算各測次相鄰取樣垂線間的部分流量占該測次總流量的權(quán)重系數(shù)（以下簡稱部分流量權(quán)重系數(shù)），通過對實(shí)測資料部分流量權(quán)重系數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)單次流量各部分權(quán)重系數(shù)與不同的來水、流量測驗(yàn)時(shí)的起點(diǎn)距定位、水深和垂線平均流速的測量精度有關(guān)，計(jì)算出各測次相同取樣垂線間的部分流量權(quán)重系數(shù)不穩(wěn)定。

經(jīng)過繪制權(quán)重系數(shù)～水位關(guān)系圖分析發(fā)現(xiàn)，各部分權(quán)重系數(shù)隨水位的變化而變化，點(diǎn)距分布成帶狀且較為密集。因此，最終確定采用測流相應(yīng)水位與系數(shù)建立關(guān)系的變系數(shù)方案，即用部分權(quán)重系數(shù)與水位建立單一關(guān)系，采用直線或二次曲線進(jìn)行擬合，由水位推算其權(quán)重系數(shù)。由于該站資料系列連續(xù)，測驗(yàn)方法一致，為開展分析提供了可靠的條件。各垂線權(quán)重系數(shù)計(jì)算公式見表1。

4 誤差計(jì)算及精度評價(jià)

（1）由部分流量權(quán)重系數(shù)推求斷面平均含沙量與實(shí)測值誤差分析計(jì)算。

利用螺山站2006～2011年共計(jì)156次實(shí)測懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)資料，用部分流量權(quán)重系數(shù)推算斷面平均含沙量，并與實(shí)測的斷面平均含沙量進(jìn)行誤差分析計(jì)算，結(jié)果見表2。

由表2誤差統(tǒng)計(jì)可以看出，用部分流量權(quán)重系數(shù)法推求的斷面平均含沙量與實(shí)測斷面平均含沙量進(jìn)行比較分析，二者誤差較小。156次資料對比分析，系統(tǒng)誤差為0.2%，隨即不確定度為1.2%。每年最大相對誤差均小于3%，最大絕對誤差為-0.011 kg／m3，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（2）用推求斷面平均含沙量進(jìn)行單～斷沙關(guān)系線定線及檢驗(yàn)。

采用未參加分析的2012年實(shí)測資料進(jìn)行分析論證，用部分流量權(quán)重系數(shù)推求出的斷面平均含沙量代替實(shí)測斷面平均含沙量進(jìn)行單～斷沙關(guān)系線定線及檢驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)懸移質(zhì)輸沙率整編成果誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表1 螺山水文站部分流量權(quán)重系數(shù)公式表

表2 推算斷面平均含沙量與實(shí)測值誤差統(tǒng)計(jì)表

表3 懸移質(zhì)輸沙率整編成果誤差統(tǒng)計(jì)表

由表3統(tǒng)計(jì)成果可以看出，用部分流量權(quán)重系數(shù)推求斷面平均含沙量，并用于懸移質(zhì)輸沙率資料整編，與實(shí)測值整編成果誤差非常小，再次驗(yàn)證本法精度較高。

5 結(jié) 語

采用部分流量權(quán)重系數(shù)法推算斷面平均含沙量作為懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)的方法，其理論原理充分、分析精度較高，可作為螺山水文站懸移質(zhì)輸沙率測驗(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)輸沙率測次，更好地實(shí)測含沙量變化過程，提高懸移質(zhì)輸沙率資料的整編精度，并能減少流量測次，減輕勞動強(qiáng)度，提高工作效率。同時(shí)，螺山水文站部分流量權(quán)重系數(shù)關(guān)系的建立，為下一步分析懸移質(zhì)輸沙率和流量在線監(jiān)測提供了一定的技術(shù)支撐。

［1］GB50159-92，河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)程［S］.

［2］楊 勁，毛北平，向自強(qiáng).采用流量權(quán)重系數(shù)法推求斷面平均含沙量的應(yīng)用分析［J］.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28（2）：17-19.