城陵磯七里山站邊沙與單沙關(guān)系試驗研究

丁紅堯　　曾文錦

(長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢　430012)

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城陵磯七里山站邊沙與單沙關(guān)系試驗研究

丁紅堯曾文錦

(長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢430012)

摘要：為探求特殊水情下含沙量的測驗方法，簡化現(xiàn)有泥沙測驗方案，基于城陵磯(七里山)水文站2011年2月～2012年8月共計248次實測邊沙和單沙資料，通過建立邊沙-單沙相關(guān)關(guān)系，分析其相關(guān)程度，從誤差統(tǒng)計的角度證明該方法的可行性。結(jié)果表明，邊沙-單沙線性相關(guān)，但擬合效果不佳，需要進(jìn)一步改進(jìn)和探索，但為特殊時期簡化單沙測驗提供了繼續(xù)研究的方向，具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：泥沙測驗；單樣含沙量(單沙)； 岸邊含沙量(邊沙) ；相關(guān)關(guān)系

含沙量測驗是水文工作重要內(nèi)容之一，目前還無法實時測得通過河流斷面的輸沙率，只能建立斷面含沙量(簡稱：斷沙)和單樣含沙量(簡稱：單沙)相關(guān)關(guān)系，并通過控制單沙過程，來推求各時段的斷面懸移質(zhì)輸沙量[1-2]。該方法能簡化泥沙測驗工作，工作量較小，因此在我國大部分水文測站應(yīng)用較廣[3-4]。然而，在特殊水情或者特殊測驗時期，比如出現(xiàn)超常規(guī)洪水，測船無法出測、漂浮物多導(dǎo)致無法測驗等情況下，單沙測驗工作就無法開展。為了控制含沙量的變化過程，可以考慮在測驗斷面近岸邊穩(wěn)定水流處，施測岸邊含沙量(簡稱為邊沙)，通過邊沙和單沙的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而推求單沙。

本文正是基于邊沙和單沙相關(guān)理論基礎(chǔ)，在洞庭湖出口站——城陵磯(七里山)水文站開展試驗，取得了2011年2月～2012年8月期間共計248次實測邊沙和單沙的資料，為誤差統(tǒng)計分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1　城陵磯(七里山)站地理位置

1　測站概況

城陵磯(七里山)水文站位于洞庭湖出口水道，上游約4 km為東洞庭湖，下游4 km處為長江荊江與洞庭湖出流匯合口(見圖1)，是洞庭湖出口水沙監(jiān)控站，為國家一類基本水文站。測驗項目包括水位、水溫、流量、含沙量、懸移質(zhì)顆分、降水、蒸發(fā)、水質(zhì)和水雨情拍報。

測驗斷面為單式穩(wěn)定河床，沖淤變化不大，含沙量的橫向分布比較均勻，中泓稍大。受洞庭湖調(diào)蓄和三峽水庫清水下泄的影響，含沙量一般在0.015～0.870 kg/m3變化；年最大含沙量出現(xiàn)在2～5月份。目前，含沙量測驗儀器為橫式采樣器，測驗方法為在起點(diǎn)距480，720 m和960 m處按2∶1∶1垂線混合法施測單位含沙量，控制含沙量的變化過程；在起點(diǎn)距180，340，480，600，720，840，960 m和1 080 m處采用垂線混合法施測斷面含沙量。含沙量整編方法是利用當(dāng)年實測單沙、斷沙資料，建立相關(guān)關(guān)系，再利用單沙資料推求斷面平均含沙量。多年資料的分析表明，城陵磯(七里山)水文站單沙-斷沙關(guān)系保持穩(wěn)定，單沙垂線代表性較好，為邊沙-單沙關(guān)系的探討提供了較好的前提條件。

2　邊沙測驗方法與資料處理

2.1邊沙取樣位置及方法

邊沙取樣位置應(yīng)相對固定，選擇受岸邊環(huán)境及風(fēng)浪影響較小，能夠滿足不同水位級取樣要求。盡量避免回流、假潮和亂流處，以保證資料的連續(xù)性和可靠性。

經(jīng)綜合對比，城陵磯(七里山)水文站邊沙取樣位置選在該站測流斷面右岸，躉船外側(cè)暢流處。取樣儀器為直立式采樣器，取樣位置為水面下0.2 m，單次取樣總?cè)莘e為3 000 mL，要求分3次取樣，每次取樣1 000 mL。單沙和邊沙測驗儀器對比見圖2。兩種型號采樣器容積均為1 000 mL/次，屬于瞬時采樣器。

圖2　橫式采樣器和直立式采樣器對比

2.2取樣時期

2011年2月～2012年8月試驗期間，在每次開展斷面含沙量及單位含沙量測驗的同時，按固定的水樣容積在邊沙取樣位置采取水樣。為了減少不確定因素和偶然誤差，水樣采取應(yīng)注意如下事項。

(1) 時間同步。邊沙采樣時間應(yīng)與單位含沙量采樣時間盡量保持一致，確保單次成果的質(zhì)量。

(2) 容積固定。水樣采集應(yīng)采用固定容積，以避免因容積不一致造成資料誤差而破壞資料系列的一致性。

(3) 真實可靠。邊沙取樣時，應(yīng)避免環(huán)境影響，在遇惡劣天氣和受漂浮物較多影響時，避免將雜物帶入水樣，保持水樣采集的真實性。

2.3資料處理

試驗沙樣分析方法主要采用沉淀烘干法。資料處理時，還要遵循以下處理原則。

(1) 沉淀濃縮水樣，必須遵守操作規(guī)程中規(guī)定的沉淀時間。處理時，不得抽取出底部泥沙，要確保單次成果質(zhì)量符合要求。

(2) 單沙和邊沙處理日期最好保持一致。

(3) 嚴(yán)格按照懸沙水樣處理方法分析，避免人為誤差。

(4) 在獲取每測次資料之后，對比分析相關(guān)關(guān)系，找出誤差較大測次，持續(xù)改進(jìn)。

試驗于2012年8月結(jié)束，共取得不同水位級、不同沙量級實測邊沙、單沙資料248次。

3　結(jié)果與分析

3.1邊沙與單沙過程線比較

根據(jù)實測邊沙與單沙資料，分別點(diǎn)繪邊沙、單沙與時間過程線，見圖3。由過程線圖可看出，邊沙與單沙變化過程基本一致，特別是單位含沙量小于0.2 kg/m3時，兩者擬合良好。隨著含沙量增加，兩者擬合效果下降明顯，且在沙峰附近時兩者相差最大。

圖3　2011～2012年城陵磯水文站邊沙、單沙過程線比較

3.2邊沙與單沙相關(guān)性分析

對實測的邊沙與單沙資料進(jìn)行線性關(guān)系擬合，見圖4。邊沙、單沙相關(guān)性系數(shù)為0.727，Cs單=2.104×Cs邊-0.002,分別進(jìn)行符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗及計算標(biāo)準(zhǔn)差。通過計算，系統(tǒng)誤差為-0.05%，標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度分別為18.76%和37.52%，均大于現(xiàn)行水文資料整編規(guī)定的精度要求。

圖4　城陵磯水文站邊沙-單沙關(guān)系

由圖4可看出，邊沙與單沙關(guān)系點(diǎn)較為散亂，呈輻散狀。在數(shù)值較低處即含沙量較小時，關(guān)系點(diǎn)距比較密集，測點(diǎn)相對誤差較小，隨著測點(diǎn)含沙量增大，分布稀疏分散，相對誤差增加明顯。

綜合表明，利用現(xiàn)有試驗資料，無法建立線性單一的邊沙-單沙關(guān)系，但從方法原理和技術(shù)手段上仍有實現(xiàn)的可能性。在保證資料來源可靠的前提下，應(yīng)注意改進(jìn)取樣方式，避免在會產(chǎn)生較大誤差的情況下取樣，采集單沙水樣同時繼續(xù)收集邊沙資料，盡量做到各個水位級和沙量級內(nèi)測次分布均勻。

3.3誤差分析

(1) 從資料來源分析，現(xiàn)有邊沙取樣位置和測驗方法的代表性較差。由于邊沙取樣位置固定在躉船外側(cè)，隨著水位高低變化，躉船位置也會發(fā)生變化，造成取樣位置不固定。同時，由于城陵磯(七里山)水文站地處洞庭湖與長江交匯處，洞庭湖與長江汛期不完全一致，會存在水位頂托作用，近岸處流速下降快，對邊沙變化有一定影響，在大風(fēng)大浪時其代表性更差。

(2) 從資料本身分析，單沙包括了各級沙量，邊沙測點(diǎn)靠近岸邊，沙量相應(yīng)較低，因此，在產(chǎn)生沙峰處兩者差異會較為明顯；由于水位高低影響含沙量的橫向分布，也會使兩者關(guān)系發(fā)生變化。

(3) 本文采用線性定線，通過了顯著性檢驗，但擬合精度不高，其原因主要是邊沙、單沙相應(yīng)測次不能夠完整涵蓋各級沙量，且分布不夠均勻、代表性較差，同時，單一線性回歸方法本身也存有局限性等。

4　結(jié)論與展望

4.1改進(jìn)措施

根據(jù)城陵磯(七里山)水文站2011年2月～2012年8月的實測資料，建立邊沙-單沙的線性關(guān)系并檢驗。分析計算和論證表明，邊沙-單沙相關(guān)關(guān)系不明顯，因此這一方案暫不可行，但可進(jìn)行如下改進(jìn)[5-6]。

(1) 由于現(xiàn)有邊沙取樣位置易受水位漲落和大風(fēng)大浪影響，建議重新選定取樣位置，以滿足不同水位級的取樣要求。

(2) 當(dāng)斷面含沙量變化較大時，可在單沙測驗測前、測中、測后各取一次邊沙，以三者平均值作為對應(yīng)邊沙值，提高邊沙代表性。

(3) 待采樣器穩(wěn)定后，方可取樣。

(4) 邊沙取樣時，應(yīng)避免環(huán)境影響，在遇惡劣天氣和受漂浮物較多時，應(yīng)注意保證水樣采取的真實性。

(5) 加強(qiáng)測點(diǎn)布置，并在不同水位級和沙量級收集相應(yīng)資料，對邊沙-單沙關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充、修訂完善和驗證分析。

4.2展望

通過大量實測數(shù)據(jù)來分析邊沙-單沙相關(guān)關(guān)系，為解決特殊時期泥沙測驗提供了一種改進(jìn)方向，對今后深入研究邊沙-單沙關(guān)系以及采取其他簡化方法獲得單沙具有一定的借鑒意義。

在對邊沙-單沙關(guān)系進(jìn)行定線時可不局限于單一線性關(guān)系，應(yīng)根據(jù)實際測驗資料進(jìn)行分段定線處理。

在今后的實際工作中，可以從以下幾個方面做進(jìn)一步地深入分析、探究：①不同水位級和沙量級條件下，邊沙取樣垂線位置的選擇范圍與條件；②邊沙-單沙相關(guān)關(guān)系的建立方法與形式；③邊沙-單沙推算誤差與精度指標(biāo)的確定；④邊沙推算斷沙輾轉(zhuǎn)相關(guān)時產(chǎn)生的傳遞誤差合理性分析等，從而更加完善特殊水情條件下的河流懸沙測驗方案，減輕勞動強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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[2]肖忠, 華家鵬, 趙東, 等. 特殊情況下采取 “邊沙” 推求“單沙”資料的試驗探討[J]. 水文, 2003, 23(4): 41-44.

[3]鄒振華，簡秋敏，吳瓊.洞庭湖松虎河流洪道河道演變分析[J]，人民長江，2015，46(增)：89-91.

[4]朱剛. 雜谷腦站邊沙-單沙關(guān)系分析[J]. 科技視界, 2013 (13): 186-187.

[5]黃振平. 水文統(tǒng)計學(xué)[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2011.

[6]謝悅波. 水信息技術(shù)[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2009.

(編輯：李慧)

收稿日期：2016-05-15

作者簡介：丁紅堯，男，長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，技師.

文章編號：1006-0081(2016)07-0008-03

中圖法分類號：P332.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A