潛江水文站懸移質(zhì)泥沙測點精簡分析

(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)

1 測站概況

潛江水文站隸屬長江水利委員會水文局管轄，是控制漢江分流入?yún)R東荊河水情的基本站，承擔(dān)著漢江中下游地區(qū)及東荊河流域的防汛測報、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水以及流域水資源保護(hù)的保障任務(wù)。站址位于湖北省潛江市園林鎮(zhèn)深河村，地理位置為東經(jīng)112°52′，北緯30°27′。該站為國家重點水文站，二類精度水文站、泥沙站。

測驗斷面位于漢江分流入?yún)R東荊河入口約7 km處。測驗河段主河槽順直，長約1 km。上、下游約500 m均有彎道。水位達(dá) 38.00 m時開始漫灘，左灘河坎為磚砌護(hù)坡，灘寬約60 m，右灘寬1 500 m。河床走沙頻繁，屬游蕩型沙質(zhì)河床。東荊河主泓偏左。洪水主要來源于漢江分流。每年春汛5～7月、秋汛8～11月，秋汛為主汛期。水位-流量關(guān)系既受洪水漲落、斷面沖淤以及興隆水利樞紐調(diào)節(jié)影響，亦受下游約 3.5 km田關(guān)閘排水和區(qū)間降水影響。水位-流量關(guān)系低水期為臨時單一線，受下游田關(guān)閘排水頂托時為反繩套。秋汛漲落頻繁，曲線為復(fù)式繩套。

潛江水文站測驗大斷面如圖1所示，目前懸移質(zhì)輸沙率測驗方法是：在固定起點距20，30，40，50，60，70，90，110，130 m和150 m處根據(jù)水面寬情況，采用5～10線按1 ∶1 ∶1垂線混合法取樣。輸沙取樣方法在水深1.50 m(或2.00 m)以下，取樣時輸沙測點與流速測點配套，可以采用一點法取樣。近岸邊測沙垂線隨測速垂線變化，根據(jù)高、中、低水位適當(dāng)調(diào)整。

圖1 潛江水文站大斷面

2 開展精簡分析的意義

2017年以前，潛江水文站流量、泥沙測驗均采用船測法，一般一次測驗過程約為1 h。從2017年開始，為保證測驗安全，測驗方式改用水文纜道，一次測驗過程約為3 h。在滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》[1]規(guī)定的前提下，很有必要開展泥沙測點精簡。若精簡方案實施成功，既可減輕勞動強(qiáng)度、提高測驗工作效率，又能節(jié)省人力、物力，以便把時間和精力投入到新的監(jiān)測領(lǐng)域，拓展水文發(fā)展領(lǐng)域，更好地開展水文水資源服務(wù)。

表1 不同取樣方法垂線平均含沙量

3 常測法精簡分析

3.1 樣本選擇

在潛江水文站歷年測驗資料中，選取了2004年7月21日、2005年7月13日、2007年7月6日、2008年7月26日、2009年5月31日、2010年7月22日(按照順序簡稱為1，2，3，4，5，6測次)共6次(五點法)測驗資料。通過這些資料，提取出相對水深 0.2，0.8和0.6處測點含沙量，并計算垂線平均含沙量、斷面平均含沙量和斷面輸沙率。再通過精簡測點來計算垂線平均含沙量、斷面平均含沙量和斷面輸沙率，比較精簡前后的誤差大小來確定取樣方案。

3.2 方案確定

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》規(guī)定，懸移質(zhì)輸沙率垂線測驗方法可采用選點法、積深法和垂線混合法。

潛江水文站現(xiàn)有懸移質(zhì)泥沙測驗方法是三點法(0.2,0.6,0.8)按1 ∶1 ∶1垂線混合法采樣，為了精簡測點，有兩種方案可供選擇：二點法(0.2，0.8)和一點法(0.6)。

3.3 誤差分析

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》[2]《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》規(guī)定方法計算垂線平均含沙量、斷面平均含沙量和斷面輸沙率。

3.3.1 垂線平均含沙量誤差分析

采用選點法測驗時，垂線平均含沙量應(yīng)按下列公式計算[1-2]：

(1)五點法。

Csm=(V0.0Cs0.0+3V0.2Cs0.2+3V0.6Cs0.6+2V0.8Cs0.8+V1.0Cs1.0)10Vm

(1)

式中，Csm為垂線平均含沙量，kg/m3；Vm為垂線平均流速，m/s；V0.0為水面流速，m/s；V0.2為相對水深0.2測點流速，m/s；V0.6為相對水深0.6測點流速，m/s；V0.8為相對水深0.8測點流速，m/s；V1.0為河底測點流速，m/s；Cs0.0為水面含沙量，kg/m3；Cs0.2為相對水深0.2測點含沙量，kg/m3；Cs0.6為相對水深0.6測點含沙量，kg/m3；Cs0.8為相對水深0.8測點含沙量, kg/m3；Cs1.0為河底測點含沙量，kg/m3。

(2)二點法。

Csm=(V0.2Cs0.2+V0.8Cs0.8)/(V0.2+V0.8)

(2)

(3)一點法。

Csm=η1Cs0.6

(3)

式中，η1為一點法系數(shù)，可根據(jù)多點法試驗資料分析確定，根據(jù)五點法計算的垂線平均含沙量與一點法測得的垂線平均含沙量的比值統(tǒng)計決定；無試驗資料時可采用1。本文研究η1取為1進(jìn)行計算。

通過計算，五點法(實測資料)、二點法、一點法的垂線平均含沙量成果如表1所示。

CsⅡ型誤差按下列公式計算[3]：

EⅡ(i，j)=Csm(i，j)/(Csmj-1)

(4)

(5)

(6)

式中，EⅡ(i，j)為某試驗組第j條垂線，按i個測點計算的垂線平均Cs的Ⅱ型誤差；Csm(i，j)為某試驗組第j條垂線，按i個測點計算的垂線平均含沙量，kg/m3；Csmj為第j條垂線多點計算的垂線平均含沙量的近似真值，kg/m3；μⅡ(i)為按i個測點計算的垂線平均含沙量Cs的Ⅱ型誤差平均值，即系統(tǒng)誤差；J為試驗垂線數(shù)；SⅡ(i)為按i個測點計算的垂線平均含沙量Cs的Ⅱ型誤差的相對標(biāo)準(zhǔn)差(%)。

懸移質(zhì)泥沙測驗不確定度采用相對不確定度評估，隨機(jī)不確定度在數(shù)值上采用2倍標(biāo)準(zhǔn)差，系統(tǒng)不確定度結(jié)果如表2所示。

表2 各年隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)不確定度

各類站應(yīng)根據(jù)不同精度要求，對各分項隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)不確定度按表3進(jìn)行控制。

表3 各分項隨機(jī)不確定度與系統(tǒng)不確定度控制 %

注：X′為隨機(jī)不確定度，X″為系統(tǒng)不確定度，n為試驗組數(shù)。

通過計算可以看出，采用二點法取樣時，隨機(jī)不確定度為 0.6%～8.2%，小于規(guī)范規(guī)定的16%；系統(tǒng)不確定度為-0.4%～2.6%，小于規(guī)范規(guī)定的±3.0%。采用一點法取樣時，隨機(jī)不確定度為1.2%～16.6%，系統(tǒng)不確定度為-5.2%～1.2%，其中，2007年隨機(jī)不確定度超規(guī)范規(guī)定，2007年和2008年系統(tǒng)不確定度超規(guī)范規(guī)定。

3.3.2 斷面平均含沙量誤差分析

采樣分析方法的不同，斷面平均含沙量的計算結(jié)果也不同。具體成果如表4所示。

對采用二點法、一點法采樣方法得出的斷面平均含沙量與采用五點法得出的斷面平均含沙量進(jìn)行誤差統(tǒng)計，主要成果見表5。

從計算結(jié)果可以看出，采用二點法取樣時，斷面平均含沙量誤差范圍為0～1.9%，采用一點法取樣時，斷面平均含沙量誤差范圍為-3.8%～0。

3.3.3 斷面輸沙率誤差分析

采樣方法的不同，斷面輸沙率的計算結(jié)果也不同，具體成果及誤差見表6與表7。

表4 斷面平均含沙量及精簡后誤差計算結(jié)果

表5 精簡后斷面平均含沙量誤差統(tǒng)計

表6 斷面輸沙率及精簡后誤差計算結(jié)果

表7 精簡后斷面輸沙率誤差統(tǒng)計

從計算結(jié)果可以看出，采用二點法取樣時，斷面輸沙率誤差范圍為0～1.9%，采用一點法取樣時，斷面輸沙率誤差范圍為-4.2%～0。

4 結(jié) 語

(1)懸移質(zhì)泥沙測驗采用二點法(0.2，0.8)是可行的，既保證了資料的精度，又能夠大大縮短泥沙測驗內(nèi)外業(yè)時間，提高了水文測驗工作效率。

(2)在今后的懸移質(zhì)泥沙測驗工作中，應(yīng)進(jìn)一步嘗試減少取樣垂線數(shù)和引進(jìn)現(xiàn)場測沙儀器，作進(jìn)一步對比分析，做到保證滿足資料精度的同時減少測驗工作量。