切德克水文站懸移質(zhì)輸沙率間測問題探討

王 穎

（伊犁水文勘測局,新疆 伊寧 835000）

1 測站概況

切德克河流域在新疆伊犁霍城縣西北,流域發(fā)源于天山北麓科古爾琴山脈,流域包括大東溝、果子溝、薩爾布拉克河、匹里青河、吉爾格朗河等較大的支流,地形由東北向西南方向逐漸呈傾斜態(tài)勢。切德克河流源頭高程3912 m,出山口高程889 m,高程均值2649 m。切德克水文站建在切德克流域出山口位置,測站在出山口高程以上的集水面積287.6 km2,該測站屬于具區(qū)域代表性的一類精度站,主要水文測驗項目包括流量、流速、水位和泥沙。

切德克河屬于高含沙河流,植被覆蓋率低,降水稀少且蒸發(fā)極大,土壤抵御沖刷侵蝕能力差,水土流失較為嚴重。流域?qū)俚湫偷纳较远笣q陡落河流,汛期通常在每年的6 月~9 月,大規(guī)模的降雨和徑流集中在汛期,且洪水歷時短,泥沙過程和洪水過程具有一致的變動趨勢,全年均采用臨時曲線法進行水位流量關(guān)系定線。測站含沙量年平均值為110 kg/m3,歷年含沙量最大最小值分別為794 kg/m3和0,含沙量年內(nèi)分布極不均勻,汛期含沙量在全年總含沙量中的占比為99.8%,10 月~次年5 月的非汛期的含沙量幾乎為零。輸沙率的年內(nèi)分布情況與含沙量極為相似,輸沙率年平均值為45.4 kg/s,歷年輸沙率最大最小值分別為79.7 kg/s和4.53 kg/s。

2 測驗情況

切德克水文站自建站以來,泥沙監(jiān)測項目主要包括含沙量、懸移質(zhì)輸沙率等項目,采用單斷沙關(guān)系曲線法進行斷面含沙量均值的推求,其輸沙取樣位置及方法主要以斷面位置為基礎(chǔ),分別在起點距8 m、10 m、12 m、14 m及16 m、18 m等處設(shè)置器皿采樣器取樣,并采用5/15 全斷面混合法。測站近年泥沙監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果顯示,該測站歷年單斷沙關(guān)系穩(wěn)定,且基本屬于單一線性關(guān)系。

3 輸沙率間測分析

3.1 資料的選用

考慮到切德克水文站于1960 年建站,其自建站后便開始泥沙監(jiān)測,至今為止,測站持續(xù)實測輸沙率資料已有60 年,且2018 年及以前年份的輸沙率資料均經(jīng)過測站整編和分局審查,為便于分析,選取切德克水文站2010 年~2017 年的泥沙監(jiān)測資料,本文分析資料系列長度符合相關(guān)規(guī)范要求,且所選資料均通過相應(yīng)測站整編和分局審查、全國復(fù)審,可靠性有保證。

本文懸移質(zhì)輸沙率間測分析所選用的數(shù)據(jù)既符合相關(guān)規(guī)范要求,還具有較好的橫跨平水、枯水和豐水年的代表性。實測懸移質(zhì)輸沙率水位在18.85 m~29.74 m范圍內(nèi)變動,所對應(yīng)的歷年水位在18.46 m~29.86 m范圍內(nèi)變動；實測輸沙率沙量在0.056 kg/m3~8.79 kg/m3范圍內(nèi)變動。實測懸移質(zhì)輸沙率水位變動幅度在所對應(yīng)歷年水位變動幅度中占比98.1%,實測輸沙率沙量變動幅度在所對應(yīng)歷年輸沙率沙量變動幅度中占比96.7%,符合懸移質(zhì)輸沙率間測分析對監(jiān)測資料的相關(guān)要求[1]。

3.2 間測分析

3.2.1 歷年單斷沙關(guān)系

切德克水文站歷年單斷沙關(guān)系系數(shù)的取值見表1。根據(jù)測站歷年單斷沙關(guān)系系數(shù)可知,其歷年單斷沙關(guān)系曲線均為從原點出發(fā)的單一直線,且斷沙Cs=單斷沙關(guān)系系數(shù)Kcs×單沙Cs'。根據(jù)對該測站歷年單斷沙關(guān)系系數(shù)的分析不難發(fā)現(xiàn),Kcs在一般情況下均不等于1 ,所以,通過Kcs≠1 情況下垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系曲線便能推求出綜合單斷沙關(guān)系系數(shù),從而對切德克水文站懸移質(zhì)輸沙率測次的精簡、間測以及單斷沙關(guān)系的深入分析提供科學依據(jù)。

表1 測站歷年單斷沙關(guān)系系數(shù)

3.2.2 垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線

分析切德克水文站垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線的主要目的在于精簡輸沙率測次及間測,按照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定,對于有5 年~10 年以上泥沙水文資料的二、三類水文測站,其實測輸沙率沙量變動幅度在歷年變動幅度中的占比在70%以上,且水位變動幅度在歷年變動幅度中的占比在80%以上的情況下,應(yīng)按照以下步驟[2]分析間測輸沙率：

（1）按照沙量級將歷年懸移質(zhì)輸沙率及單樣含沙量實測值分組,并根據(jù)各量級組的均值進行歷年綜合單斷沙關(guān)系線的繪制；

（2）在歷年綜合單斷沙關(guān)系線圖上套繪各年單斷沙關(guān)系線,若各年單斷沙關(guān)系線與所對應(yīng)年份的綜合單斷沙關(guān)系線的偏差最大值不超出5%,則可實行間測；根據(jù)規(guī)范規(guī)定,若輸沙率沙量及水位變動幅度不滿足上述條件,但符合其余條件,則可在已經(jīng)實測的變動范圍內(nèi)間測；

（3）間測過程中應(yīng)僅進行單樣含沙量實測,資料整編主要根據(jù)歷年綜合關(guān)系線進行。

切德克水文站因受庫區(qū)閘壩調(diào)節(jié)影響較大,其本身泥沙測驗精度為三類,并根據(jù)所取得的切德克水文站輸沙率實測資料及相關(guān)要求間測懸移質(zhì)輸沙率。按照沙量級將切德克水文站2010 年~2018 年懸移質(zhì)輸沙率及所對應(yīng)的單樣含沙量實測值劃分為10 組（見表2）,并根據(jù)各組含沙量實測均值組成10 個單斷沙均值關(guān)系點,進行歷年綜合單斷沙關(guān)系曲線 （斷沙Cs=1.011×單沙Cs'）的繪制,見圖1。

表2 單樣含沙量級分組 單位：kg/m3

圖1 切德克水文站單斷沙關(guān)系綜合曲線

由圖1可知,切德克水文站單斷沙點群關(guān)系較為密集,且表現(xiàn)為帶狀分布趨勢,通過原點與各均值關(guān)系點所定出的關(guān)系直線便是各組均值關(guān)系點的垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線。歷年所實測中高沙以下單斷沙輸沙率關(guān)系點子呈密集型堆砌形式,但單沙>3.5 kg/m3的點子較少且不具有均值代表性。

綜合單斷沙關(guān)系系數(shù)Kcs是垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線的斜率,檢驗Kcs∈[1.015,1.020 ]區(qū)間的垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線的適線、符號及偏離程度等的檢驗,且檢驗結(jié)果均具合理性,且Kcs=1.011 時垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線的適線、符號及偏離程度等檢驗效果最佳,故以此為重點分析情況,具體而言,當Kcs=1.011 時,垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線系統(tǒng)誤差為0.24%,在±2%的范圍內(nèi)；標準差為3.68%；隨機不確定度為6.87%,在±18%的范圍內(nèi)；偏離垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線不超過±5%的點子占84.5%。在單斷沙綜合曲線圖上繪制±5%的外包線,則至少84%的單斷沙均值關(guān)系點全部包含在外包線以內(nèi)。通過計算各年單斷紗關(guān)系線和綜合單斷沙關(guān)系線的偏離程度發(fā)現(xiàn),其偏離值在-2.7%~2.5%區(qū)間內(nèi)變化,并未超出±5%的范圍,這也表明,各年單斷沙關(guān)系線之間具有密切且穩(wěn)定的關(guān)系,且垂線混合法單斷紗關(guān)系線在綜合單斷沙關(guān)系系數(shù)Kcs=0.011 時滿足輸沙率間測的精度要求。

3.3 分析結(jié)果

切德克水文站歷年單斷沙關(guān)系均為過原點的線性直線,垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線和各年單斷沙關(guān)系線并無較大程度的偏離。結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求,并綜合本文相關(guān)分析論證,切德克水文站輸沙率測驗符合間測要求,實行輸沙率間測可行。近年來,隨著流域上游河道水利樞紐、水庫、水電站等工程的建設(shè),導(dǎo)致測站水沙特性顯著改變,含沙量明顯減少。流域附近的國家級水文氣象站歷年懸移質(zhì)輸沙率測驗通常在中高沙情況下進行,而切德克水文站并非位于主要的產(chǎn)沙區(qū),其在流域水利工程建設(shè)的不斷影響下,已經(jīng)不適合作為一類精度泥沙站進行河道治理、河床演變及重大水利工程設(shè)計管理等方面的研究,為此,應(yīng)將該測站懸移質(zhì)泥沙測驗精度調(diào)整為二類精度,便于進行輸沙率間測。間測過程中通過垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線關(guān)系系數(shù)進行泥沙資料整編和斷沙推求,根據(jù)所得出的綜合單沙關(guān)系系數(shù)取值可以判定,其對含沙量的影響很小。當Kcs=1.008 和1.013 時[3]不同沙量級相對誤差分析結(jié)果見表3。

表3 Kcs=1.008和1.013時不同沙量級相對誤差結(jié)果

通過表3 可以看出,當Kcs取值在1.008 ~1.013 范圍內(nèi),對測站含沙量影響并不大,所引起的相對誤差最大為-0.72%,該誤差值遠小于懸移質(zhì)泥沙關(guān)系曲線法定線精度指標一類精度測站系統(tǒng)誤差±2%和二類精度測站系統(tǒng)誤差±3%[4]。所以,切德克水文站懸移質(zhì)輸沙率間測過程中垂線混合法綜合單斷沙關(guān)系線關(guān)系系數(shù)取1.008 ~1.013 范圍內(nèi)的任一值進行斷紗推求,均不會產(chǎn)生明顯誤差,也不影響資料整編結(jié)果精度。

4 結(jié)論

本文對切德克水文站懸移質(zhì)輸沙率間測的分析結(jié)果表明,隨著測站所在流域上游水庫、水電站、水利樞紐等工程建設(shè)規(guī)模的增大,該測站以后的懸移質(zhì)泥沙資料應(yīng)僅適合作為三類精度泥沙站用于河道治理、河床演變分析和水利工程設(shè)計方面,故應(yīng)按照懸移質(zhì)泥沙三類測驗精度進行該測站輸沙率間測。在間測過程中,若因工程措施等人類活動影響而使斷面含沙量超出歷年實測變動幅度,則應(yīng)及時恢復(fù)輸沙率測驗。