簡(jiǎn)化懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法探討

柳　恒，趙　明，曲志強(qiáng)，任寶學(xué)

（松遼委水文局黑龍江上游中心，黑龍江黑河164300）

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簡(jiǎn)化懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法探討

柳恒，趙明，曲志強(qiáng)，任寶學(xué)

（松遼委水文局黑龍江上游中心，黑龍江黑河164300）

［摘 要］水文測(cè)驗(yàn)先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法提出了新的問(wèn)題，本文對(duì)卡倫山水文站懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法進(jìn)行精簡(jiǎn)比測(cè)試驗(yàn)分析，并對(duì)簡(jiǎn)化方法的成果精度進(jìn)行了驗(yàn)證，探討了簡(jiǎn)化懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法的可行性。

［關(guān)鍵詞］懸移質(zhì)輸沙率；測(cè)驗(yàn)；方法；簡(jiǎn)化；卡倫山水文站

1　測(cè)站概況

黑龍江干流自源頭至中游912 km區(qū)間共分布3個(gè)水文站，自上游往下分別為洛古河站、上馬廠站、卡倫山站。

卡倫山站位于黑龍江干流上、中游交界河段，結(jié)雅河下游18.9 km，是黑龍江干流澤雅河口下游控制站。集水面積7.25×105km2，至河口距離1 899 km。河道順直，長(zhǎng)約2 500 m，深槽偏于右岸，平水時(shí)河寬約900 m、最大水深約7.0 m。汛期斷面最大含沙量不超過(guò)500 g/m3，河床為沙卵石組成，斷面沖淤變化不大，水位流量關(guān)系線為單一曲線。河段比降較小，水面比降較小，高低水比降均在0.05‰～0.14‰間變化。

2　泥沙測(cè)驗(yàn)情況

卡倫山水文站自建站以來(lái)，懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)主要是固定取樣垂線，根據(jù)水面寬及斷面情況布設(shè)10條取樣垂線，采用橫式采樣器2∶1∶1垂線混合取樣、流量加權(quán)計(jì)算斷面平均含沙量，即垂線混合法。懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)僅暢流期開(kāi)展，與流量測(cè)驗(yàn)同步進(jìn)行，采用120 kW水文測(cè)船，懸掛150 kg鉛魚及橫式采樣器渡河開(kāi)展懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)工作，根據(jù)水位變化均勻布置測(cè)次，測(cè)驗(yàn)次數(shù)不少于10次，每次測(cè)驗(yàn)時(shí)間為2～3 h。2008年ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）正式投入使用后，測(cè)站流量測(cè)驗(yàn)采用30馬力沖鋒舟載ADCP渡河測(cè)驗(yàn)，單次流量測(cè)驗(yàn)時(shí)間約1 h，測(cè)驗(yàn)人數(shù)為3人，僅為傳統(tǒng)測(cè)驗(yàn)方式人數(shù)的1/2，但因在ADCP測(cè)流方式下，無(wú)法搭載鉛魚及橫式采樣器，懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法無(wú)法同步進(jìn)行，還需要再來(lái)一遍傳統(tǒng)的懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，水文測(cè)驗(yàn)效率得不到提高。為了配合ADCP流量測(cè)驗(yàn)，懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法也要做相應(yīng)的改進(jìn)。為此，提出精簡(jiǎn)取樣垂線測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，此次以卡倫山水文站為試點(diǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)兩者存在良好的關(guān)系，通過(guò)垂線上一點(diǎn)法與三點(diǎn)法的取樣數(shù)據(jù)比較，相關(guān)程度較高，再通過(guò)一定關(guān)系將垂線上取一點(diǎn)的含沙量換算成常規(guī)方法三點(diǎn)的含沙量的方法是可行的。這樣做可以縮減外業(yè)取樣、內(nèi)業(yè)泥沙處理、摘錄、計(jì)算等大量的工作量，更好地配合ADCP流量測(cè)驗(yàn)工作。基于這項(xiàng)工作的現(xiàn)實(shí)意義，本文對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，以探討和驗(yàn)證此法的實(shí)際可行性。

3　對(duì)比試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇卡倫山站流量測(cè)驗(yàn)斷面，采用120 kW的水文測(cè)驗(yàn)船渡河進(jìn)行懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)，取樣設(shè)備為鉛魚、橫式采樣器、水樣桶。

3.1取樣位置

此次比測(cè)，根據(jù)測(cè)站斷面形狀共選取2條具有代表性的垂線，如圖1所示的卡倫山水文站測(cè)驗(yàn)斷面起點(diǎn)距100 m處岸邊的垂線和起點(diǎn)距310 m處中泓的垂線。取樣垂線點(diǎn)數(shù)共2種：一是三點(diǎn)法，即每條垂線相對(duì)水深0.2，0.6，0.8 m處；二是一點(diǎn)法，即每條垂線相對(duì)水深0.2 m處。

圖1　測(cè)驗(yàn)河段斷面圖

3.2取樣方法

根據(jù)水位變化情況，布設(shè)取樣測(cè)次，懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)工作由測(cè)驗(yàn)人員完成，每次測(cè)驗(yàn)時(shí)在每條垂線上采用三點(diǎn)法和一點(diǎn)法各取一次水樣，樣品拿回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)濾、烘干、稱重，計(jì)算含沙量。

4　資料分析

4.1斷面穩(wěn)定情況

卡倫山站選擇了1990，1995，2000，2005，2009年實(shí)測(cè)大斷面成果，點(diǎn)繪于同張圖上進(jìn)行比較，可以看出，測(cè)驗(yàn)斷面基本穩(wěn)定，只是在起點(diǎn)距250～600 m處略有淤積及沖刷變化（見(jiàn)圖2），但從歷年測(cè)驗(yàn)成果上看，斷面面積基本未發(fā)生變化，歷年水位面積關(guān)系點(diǎn)據(jù)可定1條穩(wěn)定的單一曲線。

圖2　卡倫山站歷年大斷面圖

通過(guò)以上分析，可以看出卡倫山站自1987年建站以來(lái)測(cè)驗(yàn)斷面受沖淤變化小，斷面河床保持穩(wěn)定。這為含沙量沿垂線的分布保持穩(wěn)定創(chuàng)造條件，為探討此法提供可行性。

4.2關(guān)系線的確定與精度檢驗(yàn)

2014—2015年暢流期共完成懸移質(zhì)輸沙率比測(cè)取樣32次。選取該站全部測(cè)次資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)三點(diǎn)法計(jì)算的含沙量與一點(diǎn)法計(jì)算的含沙量建立相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖3），建立推求垂線平均含沙量的關(guān)系，關(guān)系式如下：

y=0.966 9x，R2=0.983 3

式中：y為推求所得垂線平均含沙量；x為一點(diǎn)法計(jì)算所得垂線平均含沙量。

圖3　三點(diǎn)法和一點(diǎn)法計(jì)算垂線平均含沙量關(guān)系線

對(duì)所推求的關(guān)系線進(jìn)行誤差精度檢驗(yàn)：2014—2015年，含沙量誤差小于5%的累計(jì)頻率為62.5%，含沙量系統(tǒng)誤差為0.2%，含沙量系統(tǒng)誤差允許精度為2%，含沙量系統(tǒng)隨機(jī)不確定度為13.2%，含沙量系統(tǒng)隨機(jī)不確定度允許精度為18%。從檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，通過(guò)相關(guān)關(guān)系，經(jīng)一點(diǎn)法取樣方法計(jì)算出的垂線平均含沙量精度很高，滿足懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)規(guī)范規(guī)定的精度要求。從圖3上可以看出含沙量小于40 g/m3時(shí)，含沙量數(shù)據(jù)密集分布在關(guān)系線附近，此時(shí)為汛期的平水期，含沙量變化平緩，沿垂線橫向分布均勻；含沙量大于40 g/m3時(shí)，數(shù)據(jù)偏離關(guān)系線，為洪水期，受流速影響含沙量變化劇烈，在全部統(tǒng)計(jì)的32個(gè)測(cè)次中有62.5%測(cè)次的含沙量相對(duì)誤差小于5%，基本滿足資料分析的要求，方法可行。

4.3整編成果的對(duì)比分析

利用2種測(cè)驗(yàn)取樣方法建立的關(guān)系式，通過(guò)傳統(tǒng)垂線三點(diǎn)法經(jīng)全斷面混合所得斷面平均含沙量反算垂線一點(diǎn)法取樣情況下的斷面平均含沙量，2種方法得到的斷面平均含沙量分別進(jìn)行資料整編計(jì)算，選取卡倫山站5年含沙量資料進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可見(jiàn)，所選連續(xù)5年資料采用三點(diǎn)法取樣得到的斷面平均含沙量經(jīng)整編計(jì)算的時(shí)段總量，與經(jīng)關(guān)系式反算一點(diǎn)法取樣得到的斷面平均含沙量經(jīng)整編計(jì)算的時(shí)段總量之間相對(duì)誤差基本保持在3%左右，基本符合二類精度水文站誤差指標(biāo)要求（時(shí)段總量允許誤差指標(biāo)見(jiàn)表2），獲得很高的精度。證明懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)采用垂線一點(diǎn)法取樣經(jīng)計(jì)算處理得到斷面平均含沙量，這種簡(jiǎn)化懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法是可行的。

表1　年含沙量 輸沙率比較

5　結(jié)論與建議

1）采用垂線一點(diǎn)法懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)，經(jīng)全斷面混合法計(jì)算的含沙量根據(jù)相應(yīng)關(guān)系來(lái)推求斷面平均含沙量的方法是可行的，簡(jiǎn)化了懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法，保證了資料的精度，可以在今后的測(cè)驗(yàn)中應(yīng)用。此法能夠大大縮短泥沙測(cè)驗(yàn)內(nèi)外業(yè)時(shí)間，能夠做到與ADCP等先進(jìn)流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備同步進(jìn)行外業(yè)工作，提高了水文測(cè)驗(yàn)工作效率。

表2　時(shí)段總量允許誤差指標(biāo)

2）為進(jìn)一步驗(yàn)證兩者的關(guān)系，在今后的測(cè)驗(yàn)中，可在不同時(shí)期、不同沙量級(jí)內(nèi)，每年進(jìn)行10次以上的固定垂線、三點(diǎn)法懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)，與一點(diǎn)法進(jìn)行比測(cè)校核。

3）在今后的懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)中，應(yīng)進(jìn)一步嘗試減少取樣垂線數(shù)和引進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)沙儀器，做進(jìn)一步對(duì)比分析，做到在保證資料精度的同時(shí)減少內(nèi)外業(yè)工作量，從而結(jié)合ACDP測(cè)流更好地提高工作效率。

［中圖分類號(hào)］P332.5

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1002—0624（2016）07—0060—03

［收稿日期］2016-03-15