長江沙市水文站臨底沙測驗(yàn)分析研究

吳立健 張?zhí)?劉曉琴

（長江委水文局荊江?水文水資源勘測局，湖北荊州 434000）

長江沙市水文站臨底沙測驗(yàn)分析研究

吳立健 張?zhí)?劉曉琴

（長江委水文局荊江?水文水資源勘測局，湖北荊州 434000）

三峽水庫175m正常蓄水運(yùn)用后，壩下游河床在相當(dāng)長時(shí)段內(nèi)處于沖刷狀態(tài)，研究了解河段的全沙輸移狀態(tài)有重要意義，因此，需要開展臨底沙測驗(yàn)，分析常規(guī)測驗(yàn)和臨底懸沙測驗(yàn)成果的差異，了解全沙輸沙量情況，可以為研究三峽水庫建成后長江中下游河道沖淤量計(jì)算方法及河道演變發(fā)展趨勢提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)沙市水文站2011-2013年臨底沙實(shí)測資料，對照常規(guī)測驗(yàn)方法和臨底沙多點(diǎn)法測驗(yàn)的成果，分析兩者測驗(yàn)之間的差異，總結(jié)臨底沙測驗(yàn)成果的特性規(guī)律，發(fā)現(xiàn)常測法測量的含沙量比臨底多點(diǎn)法偏小，常規(guī)法測得年輸沙量明顯偏小，存在漏測情況。

沙市水文站 臨底沙測驗(yàn) 分析差異 總結(jié)特性規(guī)律 年輸沙量 漏測

1 前言

三峽水庫175m正常蓄水運(yùn)用后，壩下游河床在相當(dāng)長時(shí)段內(nèi)處于沖刷狀態(tài)。研究了解河段的全沙輸移狀態(tài)有重要意義，全沙包括推移質(zhì)與懸移質(zhì)，兩者相互聯(lián)系，即推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)變化對懸移質(zhì)泥沙中臨底部分運(yùn)動(dòng)影響較大。因此，開展臨底沙測驗(yàn)，分析常規(guī)測驗(yàn)和臨底懸沙測驗(yàn)成果的差異，研究全沙輸沙量情況，可以為研究三峽水庫建成后長江中下游河道沖淤及發(fā)展趨勢提供科學(xué)依據(jù)。

沙市站從2011年開始，比較全面系統(tǒng)的收集了臨底沙測驗(yàn)資料，本文根據(jù)沙市站實(shí)測資料，對臨底沙規(guī)律進(jìn)行初步研究。

2 測驗(yàn)方法

2.1 測驗(yàn)河段概況

沙市（二郎磯）站是國家基本水文站，一類精度水文站，位于三峽壩下208km湖北省荊州市沙市區(qū)二郎磯，集水面積1032033km2，為長江中游干流控制站。基本水尺位于沙市二郎磯，上游1300m處建有荊州長江公路大橋，左岸上游600m為觀音磯，右岸上游約10km有太平口分流入洞庭湖。

2.2 臨底沙測驗(yàn)儀器

圖4.2.1 2011年10月14日

圖4.2.2 多點(diǎn)法垂線相對流速與相對水深多測次關(guān)系曲線

由于臨底懸沙測驗(yàn)的特殊要求，既要能測到距床面上0.5m、0.1m處的含沙量，又要盡量減少采樣器對河床、水流的擾動(dòng)，因此臨底懸沙采樣器選用雙管垂直連接型式，底部采樣器在鉛魚體內(nèi)安裝，雙管可進(jìn)行同步取樣，采樣器器蓋采用觸及河底立即關(guān)閉的結(jié)構(gòu)型式，其他相對位置測點(diǎn)采用橫式采樣器。

2.3 測驗(yàn)方法

流量采用走航式ADCP施測，各測點(diǎn)水深及流速從ADCP測驗(yàn)資料中提取或按曲線公式計(jì)算，含沙量、懸顆測驗(yàn)垂線按多線多點(diǎn)法布置，采用7點(diǎn)法，以河床為相對零點(diǎn)，測點(diǎn)位置分別為相對水深1.0、0.8、0.4、0.2、0.1、距床面0.5m、距床面0.1m。其中相對位置1.0、0.8、0.4、0.2、0.1處采用常規(guī)橫式采樣器取樣，而距距河底0.5m、0.1m處則用臨底懸沙采樣器取樣。每次在取懸移質(zhì)含沙量水樣的同時(shí)，也同樣另取一套作為懸移質(zhì)常規(guī)顆分水樣。

3 資料整理

3.1 幾個(gè)基本術(shù)語

圖4.3.1-1 臨底常規(guī)法垂線平均含沙量與臨底多點(diǎn)法垂線平均含沙量多測次關(guān)系曲線

圖4.3.1-2 臨底常規(guī)法斷面平均含沙量與臨底多點(diǎn)法斷面平均含沙量多測次關(guān)系曲線

（1）直算法：在水文測驗(yàn)計(jì)算中，先直算流速、含沙量與顆粒級配的垂線平均值，然后再橫算斷面平均值的方法。（2）橫算法：將各實(shí)測垂線同一相對水深處的測點(diǎn)流速、含沙量和顆粒級配，分別采用面積加權(quán)、面積與流速兩者加權(quán)和面積、流速與含沙量三者加權(quán)進(jìn)行橫向計(jì)算，得出可以代表斷面平均情況的概化垂線上各相對水深處的測點(diǎn)流速、含沙量和顆粒級配的計(jì)算方法。（3）常規(guī)法：水文站日常采用常規(guī)儀器，按常規(guī)布線布點(diǎn)進(jìn)行的觀測。（4）臨底多點(diǎn)法：以臨底懸沙采樣器多線多點(diǎn)法測驗(yàn)資料為基礎(chǔ)以直算法計(jì)算的值。（5）臨底常規(guī)法：以臨底多點(diǎn)法測驗(yàn)資料為基礎(chǔ)采取抽樣的方法按常規(guī)法測點(diǎn)數(shù)以直算法計(jì)算的值。（6）概化垂線分布：以橫算法公式計(jì)算的斷面分層流速、含沙量、級配沿垂線的分布，其概化垂線平均即為斷面平均值。（7）概化成果：以臨底懸沙采樣器多點(diǎn)法測驗(yàn)資料為基礎(chǔ)以橫算法計(jì)算的值。

圖4.3.2-1 2011年10月14日

圖4.3.2-2 臨底多點(diǎn)法垂線相對含沙量

表4.2.2 沙市站年輸沙量改正計(jì)算表

3.2 資料計(jì)算方法

對于多線7點(diǎn)法的測驗(yàn)成果，除按規(guī)范規(guī)定的方法計(jì)算成果即常規(guī)成果外，還求出能代表斷面平均情況的流速、含沙量、級配、和各分組粒徑含沙量垂直分布，即概化垂線分布。

資料整理時(shí)，對斷面輸沙率，分別得出采用常規(guī)法的測點(diǎn)與多點(diǎn)法的測點(diǎn)的計(jì)算值，后者與前者的比值即為修正系數(shù)。對垂線輸沙率，則采用概化垂線測點(diǎn)分布，采用抽樣的方法，計(jì)算常規(guī)測點(diǎn)的成果，然后求出與多點(diǎn)法計(jì)算值的比值，即修正系數(shù)。另外計(jì)算懸沙中床沙質(zhì)（大于0.1mm的沙粒）輸沙率修正系數(shù)。兩種方式均計(jì)算漏測率。

4 測驗(yàn)成果分析

4.1 常規(guī)測驗(yàn)方法與臨底多線多點(diǎn)測驗(yàn)法的差異

為了解常規(guī)測驗(yàn)方法是否存在漏測現(xiàn)象，將常規(guī)法測驗(yàn)結(jié)果與臨底試驗(yàn)所測的7點(diǎn)法選點(diǎn)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對照，沙市站常規(guī)法測驗(yàn)結(jié)果與臨底多點(diǎn)法測驗(yàn)結(jié)果相比：輸沙率和平均含沙量系統(tǒng)誤差分別為-1.7%和-1.7%，相對標(biāo)準(zhǔn)差分別為10.7%和11.2%，都是有時(shí)偏大，有時(shí)偏小，個(gè)別偏離達(dá)25%，均沒有明顯規(guī)律可循。

4.2 流速測驗(yàn)成果分析

4.2.1 各測次兩種方法計(jì)算的垂線相對流速與相對水深對照

2011-2013年采用走航式ADCP測驗(yàn)，從ADCP測驗(yàn)資料中摘錄的2點(diǎn)法和7點(diǎn)法相應(yīng)的流速，采用臨底常規(guī)法和多點(diǎn)法計(jì)算概化垂線平均流速，點(diǎn)繪各測次兩種方法計(jì)算的垂線相對流速與相對水深對照圖，見圖4.2.1?？梢钥闯?，臨底常規(guī)法由于測點(diǎn)較少在對斷面流速垂向分布描述上不如臨底多點(diǎn)法細(xì)致，但兩者規(guī)律一致。

4.2.2 臨底多點(diǎn)法垂線相對流速與相對水深關(guān)系

圖4.2.2為沙市站27個(gè)測次臨底多點(diǎn)法流速測驗(yàn)成果繪出的垂線相對流速與相對水深多測次關(guān)系曲線。從數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布來看，雖然各測次流量級有所差異，但同一相對水深層相對流速點(diǎn)位比較集中，各測次相對流速分布線型比較接近，相對流速在0.61-1.18之間變化，說明測驗(yàn)期間沙市斷面相對流速沿水深分布關(guān)系比較穩(wěn)定。綜合線的指數(shù)為0.155（1/6.4669），即斷面概化垂線流速分布系數(shù)為0.155。

4.3 含沙量測驗(yàn)成果分析

4.3.1 含沙量大小

沙市站27個(gè)測次臨底多點(diǎn)法和臨底常規(guī)法計(jì)算得到的含沙量成果，并求出了兩種計(jì)算方法下含沙量的修正系數(shù)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出：臨底常規(guī)法與臨底多線多點(diǎn)法測驗(yàn)的含沙量成果相對誤差較大。

圖4.3.1-1和圖4.3.1-2點(diǎn)繪了多測次臨底常規(guī)法和臨底多點(diǎn)法測得的垂線平均含沙量和斷面平均含沙量的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示兩種方法測得的成果相關(guān)性很好。

4.3.2 含沙量沿垂線分布

點(diǎn)繪臨底常規(guī)法與多線多點(diǎn)法垂線相對含沙量與相對水深的關(guān)系圖，見圖4.3.2-1，可以看出兩種測驗(yàn)方法取得的成果基本反映出了含沙量垂線分布規(guī)律，但從臨底多線多點(diǎn)法含沙量沿水深分布圖上可以看出，在相對水深0.1至近河床0.1m處的含沙量明顯加大。

圖4.3.2-2為多測次臨底多線多點(diǎn)法垂線相對含沙量與相對水深的關(guān)系曲線圖，同一相對水深處測點(diǎn)較集中，但不如相對流速分布密集，尤其是近底部，各測次相對含沙量變化較大，全斷面的相對含沙量在0.275～13.9之間變化，河底以上0.1m處相對含沙量在1.17～13.9之間變化，擬合的概化綜合分布線型為乘冪型，冪指數(shù)為-0.561（1/-1.7823），即斷面概化含沙量分布公式為：

相對含沙量：CSη/CS=0.477η-0.561。

4.4 輸沙率測驗(yàn)成果

4.4.1 臨底常規(guī)法與臨底多點(diǎn)法成果比較

沙市站臨底常規(guī)法和臨底多線多點(diǎn)法輸沙率計(jì)算的全斷面輸沙率最大相對誤差為22.8%，最小為2.7%，平均相對誤差為0.01%，平均修正系數(shù)為1.01；粒徑大于0.1mm部分輸沙率最大相對誤差為-25.1%，最小相對誤差為4.1%，平均相對誤差為-5.29%，平均修正系數(shù)為1.09。說明兩種計(jì)算方法中粒徑大于0.1mm部分的輸沙率相對誤差比全斷面輸沙率的相對誤差要大。

4.4.2 輸沙量改正計(jì)算

表4.4.2統(tǒng)計(jì)了沙市站2011-2013年輸沙量改正情況，，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明臨底常規(guī)法施測的輸沙量比臨底多線多點(diǎn)法施測的輸沙量要偏小。

5 結(jié)語

（1）常規(guī)法和臨底多點(diǎn)法得到斷面平均含沙量成果基本一致，從成果比較來看，兩種測驗(yàn)方法得到的多測次斷面平均含沙量和垂線平均含沙量相關(guān)性良好，但常測法測量的含沙量偏小。（2）常規(guī)法測年輸沙量比臨底多線多點(diǎn)法施測的年輸沙量要小。因此開展臨底沙研究，對輸沙量法計(jì)算河道沖淤量，對研究河道演變等都有重要意義。