竹林關(guān)水文站輸沙率間測(cè)分析

張奕華

（陜西省商洛水文局 陜西 商洛 726000）

竹林關(guān)水文站是設(shè)在丹江水系一級(jí)支流銀花河上的控制站，控制流域面積951km2，該站設(shè)立于1970年，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)等項(xiàng)目，主要是為銀花河水資源開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

目前，有些項(xiàng)目監(jiān)測(cè)已開(kāi)展了好多年，資料也具有一定的代表性，需要精簡(jiǎn)分析，達(dá)到減少人力和工作強(qiáng)度，節(jié)省費(fèi)用開(kāi)支，利用剩余時(shí)間和財(cái)力開(kāi)展新測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，如開(kāi)展墑情、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)，與現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求相適應(yīng)。本次主要是對(duì)竹林關(guān)水文站斷面輸沙率測(cè)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出歷年斷面平均含沙量（斷沙）與相應(yīng)單位含沙量（相單）的相關(guān)關(guān)系，看歷年單、斷沙關(guān)系是否綜合成固定45°線，或一固定線形，是否符合《懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》間測(cè)要求，以實(shí)現(xiàn)輸沙率間測(cè)。

1 竹林關(guān)輸沙率測(cè)驗(yàn)現(xiàn)狀

竹林關(guān)水文站1970年建站，到目前已積累輸沙資料44站年，自建站以來(lái)一直開(kāi)展輸沙率測(cè)驗(yàn)工作，目的是積累該站流域以上通過(guò)該站斷面的年輸沙量。

《懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定，每年的輸沙率測(cè)次，一類站不少于25次，二、三類站不少于15次，竹林關(guān)水文站屬于二類站，每年測(cè)次不應(yīng)少于15次，一般測(cè)次主要布設(shè)在流量、含沙量轉(zhuǎn)折變化處。

竹林關(guān)水文站輸沙率測(cè)驗(yàn)方法是在水文測(cè)驗(yàn)斷面，利用水文纜道左右循環(huán)，上下聯(lián)動(dòng)，根據(jù)沙情特性布設(shè)5條至8條垂線，測(cè)驗(yàn)儀器采用瓶式采樣器，取樣方法用積深法，實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙率；相應(yīng)單沙在起點(diǎn)距100m處，采用固定一線積深法，含沙量變化不大時(shí)，分別在施測(cè)輸沙率開(kāi)始和終了同時(shí)測(cè)取相應(yīng)單位含沙量，平均后作為單位含沙量，含沙量變化較大時(shí)，在輸沙率測(cè)驗(yàn)當(dāng)中適當(dāng)增加單沙測(cè)次，用平均值作為該次輸沙率的相應(yīng)單位含沙量。

測(cè)一條垂線大約5分鐘，那么一次輸沙率測(cè)驗(yàn)就需30分鐘到40分鐘，如果遇到大水洪水停電，采取人工手搖測(cè)取就需40分鐘到60分鐘。

沙樣處理：通常采用焙干法。從取樣到烘干，中間需要濃縮3天到5天，還要逐個(gè)進(jìn)行稱重，稱重使用老天平，一個(gè)沙樣在稱重中要不斷更換砝碼，到準(zhǔn)確稱出重量大約需要1分鐘到2分鐘，一次輸沙率處理，稱重加上中間環(huán)節(jié)最少需要30分鐘。

輸沙率測(cè)驗(yàn)必須與流量測(cè)驗(yàn)同步進(jìn)行，因?yàn)樵谟?jì)算輸沙率的時(shí)候需要有相應(yīng)的流量值，測(cè)取斷面流量也需20分鐘到30分鐘。一次輸沙率測(cè)驗(yàn)，從開(kāi)始到終了大約需要2小時(shí)左右。

2 存在問(wèn)題

按照測(cè)驗(yàn)任務(wù)要求，竹林關(guān)水文站每年的輸沙率測(cè)次不能少于15次，而測(cè)一次輸沙率需要同時(shí)測(cè)取斷面流量，測(cè)取輸沙率加上測(cè)流、稱重、計(jì)算大概需要2小時(shí)左右，說(shuō)明測(cè)取輸沙率是一次繁重的體力、腦力勞動(dòng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，這種傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)方法與近年來(lái)水文事業(yè)的快速發(fā)展和新的水文工作模式已極不適應(yīng)。因而通過(guò)分析，按照《河道懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求，對(duì)達(dá)到間測(cè)條件的盡快實(shí)現(xiàn)間測(cè)是一種省時(shí)省力的有效途徑，也可以把時(shí)間和精力投入到新的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，拓寬水文發(fā)展領(lǐng)域，與時(shí)俱進(jìn)更多地開(kāi)展水文水資源服務(wù)，更好地服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

3 解決方法

該站已積累泥沙資料44站年，根據(jù)歷年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)單位含沙量與實(shí)測(cè)懸移質(zhì)斷面含沙量關(guān)系進(jìn)行綜合分析，找出實(shí)測(cè)懸移質(zhì)單位含沙量與實(shí)測(cè)懸移質(zhì)斷面含沙量的綜合相關(guān)關(guān)系（簡(jiǎn)稱單斷沙關(guān)系）。在滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定的前提下，開(kāi)展輸沙率間測(cè)。以減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測(cè)驗(yàn)工作效率。

4 輸沙率間測(cè)分析

4.1 資料選取

根據(jù)資料的一致性、代表性和可靠性分析，本次選用1971年、1972年、1978年～2012年間竹林關(guān)站249次的實(shí)測(cè)輸沙率資料。

4.2 竹林關(guān)水文站歷年單斷沙測(cè)驗(yàn)情況

竹林關(guān)水文站多年平均輸沙率5.86kg/s，施測(cè)輸沙率最多的年份為1980年（28次）。歷年整編采用單斷沙關(guān)系（個(gè)別年份測(cè)次較少按近似法）推求斷面平均含沙量，歷年關(guān)系為45°直線。建站以來(lái)，最大洪水出現(xiàn)時(shí)間為1987年6月5日，洪峰流量2800m3/s，為歷史實(shí)測(cè)最大流量，相應(yīng)水位8.2m，為歷史最高水位。實(shí)測(cè)輸沙率的最大相應(yīng)單位含沙量為109kg/m3（1980年），最大單位含沙量為111kg/m3（1979年），多年河道沖淤變化不大，泥沙橫向分布基本穩(wěn)定。見(jiàn)圖1。

4.3 分析方法及依據(jù)

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》第7.7.1條規(guī)定，二、三類站當(dāng)有5年～10年以上的資料證明，實(shí)測(cè)輸沙率的沙量變幅占?xì)v年變幅的70%以上，水位變幅占?xì)v年水位變幅的80%以上時(shí)，可按照規(guī)定進(jìn)行輸沙率間測(cè)分析。

4.4 沙幅及水幅計(jì)算

圖1 竹林關(guān)大斷面比較圖

圖2 竹林關(guān)站歷年單斷沙綜合關(guān)系線

本次分析選取的竹林關(guān)水文站249次實(shí)測(cè)輸沙率資料中，實(shí)測(cè)輸沙率的最大相應(yīng)單位含沙量為109kg/m3（1980年），最小相應(yīng)單位含沙量為0.088kg/m3（1972年），歷年最大單位含沙量為111kg/m3（1979年），最小單位含沙量為0kg/m3，分析資料系列中實(shí)測(cè)輸沙率的沙量變幅占?xì)v年輸沙率變幅的98.1%。滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》第7.7.1條規(guī)定的實(shí)測(cè)輸沙率的沙量變幅占?xì)v年變幅的70%以上的要求。

在選取的竹林關(guān)水文站249次實(shí)測(cè)輸沙率資料中，實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙率最高水位6.2m（1983年），最低水位 2.8m（1985年），實(shí)測(cè)變幅3.4m。歷史最高水位8.2m（1987年），最低水位 2.73m（2008年），水位變幅5.65m，實(shí)測(cè)輸沙率的水位變幅占?xì)v年水位變幅的62.0%。低于《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》第7.7.1條規(guī)定的實(shí)測(cè)輸沙率的水位變幅占?xì)v年水位變幅的80%以上的要求。其原因是1987年6月5日發(fā)生接近100年一遇洪水最高水位（8.2m）時(shí)，測(cè)驗(yàn)設(shè)施被水沖毀，對(duì)于整個(gè)系列資料影響不大，近年對(duì)該站基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了改造，測(cè)洪能力已提高到百年一遇，需要說(shuō)明的是當(dāng)水位大于6.2m時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)恢復(fù)輸沙率測(cè)驗(yàn)，對(duì)該分析成果高水部分進(jìn)行校驗(yàn)。

4.5 分析歷年單斷沙綜合關(guān)系線

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的水沙幅要求，將歷年懸移質(zhì)輸沙率和相應(yīng)單樣含沙量實(shí)測(cè)成果，按沙量級(jí)分成若干組，用各組平均值繪制歷年綜合單斷沙關(guān)系線，從關(guān)系線圖中可以看出，懸移質(zhì)輸沙率單斷沙綜合關(guān)系（為45°線），見(jiàn)圖2。

4.6 綜合單斷沙關(guān)系線的檢驗(yàn)

定線精度依據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SL247—1999）《水文資料整編規(guī)范》對(duì)關(guān)系線進(jìn)行了符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離檢驗(yàn)，均為合格。其中關(guān)系線系統(tǒng)誤差為-1.0%，小于規(guī)范規(guī)定的±3%；隨機(jī)不確定度7.8%，小于規(guī)范規(guī)定的28%。均符合規(guī)范要求。

4.7 各年單斷沙關(guān)系線的比較

選取近幾年實(shí)測(cè)的懸移質(zhì)輸沙率測(cè)點(diǎn)，按年套繪在歷年綜合單斷沙關(guān)系上，分別計(jì)算各年單斷沙關(guān)系斜率，斜率在0.9632～1.1183之間，變化不大，從圖2也可以看出，歷年懸移質(zhì)輸沙率單斷沙關(guān)系較好（為45°線）。

5 結(jié)論

《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》第7.7.1條規(guī)定，二、三類站當(dāng)有5年～10年以上的資料證明，實(shí)測(cè)輸沙率的沙量變幅占?xì)v年變幅的70%以上，水位變幅占?xì)v年水位變幅的80%以上時(shí)，各年關(guān)系線偏離綜合線的最大值在±5%以內(nèi)時(shí)，可按照規(guī)定進(jìn)行輸沙率間測(cè)。

通過(guò)對(duì)竹林關(guān)水文站多年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙率成果中單斷沙關(guān)系線的相關(guān)分析計(jì)算，該站滿足：①有5年～10年資料，竹林關(guān)施測(cè)44年資料；②沙量變幅占?xì)v年變幅的70%以上，該站沙量變幅98.1%；③對(duì)于水位變幅占?xì)v年水位變幅的80%以上，該站變幅62%，因受特大洪水毀壞設(shè)施的影響，現(xiàn)在設(shè)施改善，在水幅大于62%時(shí)及時(shí)校測(cè)；④當(dāng)各年關(guān)系線偏離綜合線的最大值在±5%以內(nèi)時(shí)，該站各年關(guān)系線與歷年綜合單斷沙關(guān)系曲線偏離最大值為4.46%，滿足要求。

間測(cè)期間只測(cè)單樣含沙量，因歷年綜合關(guān)系線為45°線，所以直接采用單位含沙量代替斷面含沙量進(jìn)行年輸沙量計(jì)算。

傳統(tǒng)水文向現(xiàn)代水文的轉(zhuǎn)換，不是一朝一夕就能完成的事情，是需要有水文新儀器、新技術(shù)做依托，水文測(cè)驗(yàn)工作要逐步走向現(xiàn)代化。水文新儀器、新技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中又必須用傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)方法來(lái)比測(cè)驗(yàn)證其實(shí)用性和準(zhǔn)確性，竹林關(guān)水文站的輸沙率間測(cè)分析，為該站的傳統(tǒng)水文向現(xiàn)代水文的轉(zhuǎn)換提供了技術(shù)條件。

6 輸沙率間測(cè)實(shí)施意見(jiàn)和注意問(wèn)題

（1）間測(cè)方案自2014年起實(shí)施，輸沙率測(cè)驗(yàn)停5年測(cè)1年，也是對(duì)本分析成果的檢驗(yàn)。為與歷年整編保持一致，間測(cè)期內(nèi)斷面平均含沙量用單位含沙量代替斷面平均含沙量進(jìn)行年輸沙量計(jì)算。

（2）單位水樣采樣儀器、取樣位置、取樣方法及沙樣的處理方法，必須與歷年保持一致，否則，恢復(fù)輸沙率測(cè)驗(yàn)。

（3）當(dāng)發(fā)生以下任一情況時(shí)，立即恢復(fù)輸沙率測(cè)驗(yàn)。①斷面發(fā)生較大沖淤，泥沙橫向分布發(fā)生變化；②水位大于6.2m；③含沙量大于109 kg/m3。陜西水利