湖口水文站單樣含沙量取樣方案分析

謝雅蕾　柯莉莉　謝波

摘要：湖口水文站為鄱陽湖出口控制站，屬國家級重要水文站，一類精度泥沙測驗站。湖口水文站懸移質輸沙率傳統(tǒng)整編方法為斷面平均含沙量過程線法，該方法要求測次較多。為了提高工作效率，通過分析確定單樣含沙量取樣垂線位置并對單樣含沙量-斷面平均含沙量關系進行定線檢驗等，改進了該站傳統(tǒng)懸移質輸沙率整編方法。結果表明：利用改進后的整編方法對懸移質輸沙率進行整編的效果較好，滿足現(xiàn)行水文整編規(guī)范要求。

關鍵詞：單樣含沙量;懸移質輸沙率;斷面平均含沙量;湖口水文站

中圖法分類號：P333.4 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.006

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0038 - 06

0 引 言

單樣含沙量測驗是對河流中隨水流運動泥沙數量和變化過程的直接觀測，是水文測驗的主要項目。目前，中國大多數江河的懸移質輸沙資料都是通過單樣含沙量-斷面平均含沙量關系（簡稱“單斷沙關系”）來進行推導轉化的。即通過簡便的單樣含沙量測驗方法以及實測斷面輸沙率測驗求得的單斷沙關系，將單樣含沙量按當年的相關分析換算為斷面平均含沙量。該方法的應用較為成熟，也相對簡單易行。但單樣含沙量的精度就代表了懸沙測驗的精度，因此對單樣含沙量取樣位置有一定的要求。

目前，湖口水文站的懸移質輸沙率整編方法采用斷面平均含沙量過程線法。該整編方法按規(guī)范要求需要的懸沙測驗測次較多，每月最少5次，年測次達到80次以上。因此本文利用已有資料對單樣含沙量測驗方法的可行性進行研究，同時根據測站特性，用多種組合取樣方法進行分析以確定取樣位置。旨在通過上述分析改進該站懸移質輸沙率整編方法，降低生產成本，提高工作效益。

1 測站概況

1.1 湖口水文站

湖口水文站始建于1922年10月，地處江西省湖口縣雙鐘鎮(zhèn)，位于長江中游未端與鄱陽湖交匯處，是監(jiān)測鄱陽湖出入水量的國家級重要水文站，也是國家一類精度流量和泥沙控制站。地理位置東經116°13′，北緯29°45′，控制流域面積162 225 km，緊鄰長江，距長江口約840 km。

1.2 測驗河段及斷面

本文測驗河段位于鄱陽湖水道最末端，測驗斷面離鄱陽湖出口約0.7 km，上游有贛江、撫河、信江、修水、饒河5條支流入匯。測驗河段較順直，為收縮河段，向上游湖面逐漸加寬。流速儀測流斷面上游1 km處建有鄱陽湖大橋，上游約5 km處建有銅九鐵路大橋;左岸有灘地，水位約9.00 m時灘地開始淹沒，灘地露出時有水草生長;右岸于2001年建成防洪堤，有上、下石鐘山分居斷面上、下游，且下石鐘山突出于河口;河床較穩(wěn)定，左岸由細沙、淤泥組成，右岸由粗沙組成，倒灌或低水流速較大時略有沖淤，因距河口太近，受長江來水頂托倒灌時水流紊亂。測驗河段見圖1。

1.3 測驗方式與垂線分布

湖口水文站水文測驗方式為駐巡結合，流量測驗方法為走航式ADCP，流量整編方法為連實測流量過程線法，懸移質輸沙率整編方法為斷面平均含沙量過程線法。

懸移質輸沙率測驗主要在洪水期布置測次，每次針對較大洪峰的測次不少于5次;平、枯水期時每月不少于5次;倒灌期加密測次。（湖口水文站水位級劃分：高水位≥17.20 m，中水位13.30～17.20 m，低水位7.9～13.3 m，枯水位≤7.90 m。）

懸移質輸沙測驗方法分為選點法和常規(guī)測驗方法。選點法為每條垂線按五點法取樣，常規(guī)測驗方法是在每條垂線的相對水深位置0.2，0.6，0.8處取樣，且按2∶1∶1垂線混合法進行混合。測驗斷面與懸移質輸沙垂線分布見圖2。

1.4 多年平均含沙量分析

湖口水文站自1952年開展懸移質輸沙率測驗以來，一直采用全斷面輸沙測驗，僅在1955年5月至1961年8月采用過單斷沙關系測驗。

1952～2020年湖口站多年平均含沙量為0.067 kg/m， 2016～2020年多年平均含沙量為0.035 kg/m，2016～2020年含沙量小于0.050 kg/m3的測次為52%以上，特別是近4 a高達74%以上，其中2020年達96%。

2 單樣含沙量垂線代表性分析

2.1 泥沙測驗資料選取

從歷史資料上看，雖然湖口水文站泥沙特性受鄱陽湖來水來沙及長江水倒灌鄱陽湖時的來水來沙影響，但水文測驗斷面穩(wěn)定，多年來沖淤變化不大，近些年含沙量在斷面上的橫向分布來看基本一致。因此本文選用2013～2020年643次懸移質輸沙率資料，其中長江水倒灌鄱陽湖的懸移質輸沙率資料32次（2017年倒灌時間為連續(xù)20 d）。懸移質輸沙率測驗時的水位為7.28～22.46 m，最小輸沙率為-865 kg/s，最大輸沙率為2 470 kg/s，最小含沙量為0.008 kg/m，最大含沙量為0.420 kg/m。

2.2 單樣含沙量測驗垂線位置分析

湖口水文站懸移質輸沙率常規(guī)測驗方法中，高、中水期測驗為9條垂線，低水期和枯水期為6～8條垂線，倒灌期為9條垂線，幾種測驗方法中有4條垂線重合，它們起點距分別為750，910，990，1 150 m。

GB/T 50159-2015《河流懸移質泥沙測驗規(guī)范》中規(guī)定：斷面比較穩(wěn)定，主流擺動不大的站點，應選擇若干次能代表各級水位、各級含沙量的輸沙率資料，繪制垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的比值橫向分布圖，在圖上選擇比值最為集中且等于1處，確定1～2條垂線，作為單樣含沙量測驗位置，由此建立單斷沙關系曲線。

湖口水文站懸移質輸沙率垂線的取樣方法是：在垂線的相對水深位置0.2，0.6，0.8處取樣，按2∶1∶1進行垂線混合，計算垂線平均含沙量。

現(xiàn)根據湖口水文站的斷面分布和測站特性，擬用多種組合取樣方法進行垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的比值統(tǒng)計，分別是單垂線、兩條垂線和三條垂線，即是起點距750，910，990，1150 m;（750，910 m），（750，990 m），（750，1150 m），（750，910，1150 m）;（750，990，1150 m）和（910，990，1150 m）共10種組合方案。單垂線的單樣含沙量即為垂線平均含沙量，多垂線的單樣含沙量即為多垂線平均含沙量的算術平均值。當懸移質垂線含沙量與斷面平均含沙量比值越接近1，表明精度越高。以上各方法計算出的懸移質垂線含沙量與斷面平均含沙量比值出現(xiàn)次數統(tǒng)計見表1。

從表1中可以看出隨垂線數增加，精度越高。單垂線集中在比例系數等于1處的不到10.0%，比例系數在0.900～1.100的頻率最大為56.5%;兩條垂線集中在比例系數等于1處的不到15.0%，比例系數在0.900～1.100的頻率最大為73.7%;三條垂線組合中比例系數精度較高，其中起點距750，910，1150 m集中在比例系數等于1處的為18.2%，比例系數在0.900～1.100的頻率有85.2%，最大比例系數為1.632，最小為0.769;起點距750，990，1150 m集中在比例系數等于1處的為17.3%，比例系數在0.900～1.100的頻率有79.9%，最大比例系數為1.591，最小為0.533。起點距750，910，1150 m這個組合精度最佳，其次是起點距750，990，1150 m組合。

3 精度分析

3.1 單樣含沙量-斷面平均含沙量關系曲線精度分析

SL 247-2020《水文資料整編規(guī)范》中懸移質泥沙等關系曲線法定線精度指標規(guī)定：一類精度水文站單一線法定線精度指標為系統(tǒng)誤差≤±2%，隨機不確定度≤18%。符合檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗的顯著水平分別采用0.25，0.05和0.10。

根據上述垂線分析結果，選用起點距750，910，1 150 m和起點距750，990，1 150 m兩種取樣方案，對2013～2020年的湖口水文站懸移質輸沙率資料，利用南方片2.0版整匯編程序對兩種取樣方案分別定繪單斷沙關系曲線，并對曲線關系進行檢驗。由于2017～2020年湖口水文站的含沙量小于0.050 kg/m的測次達74%以上，最小含沙量為0.008 kg/m，單斷沙絕對誤差僅0.002 kg/m，而相對誤差達20%。因此在資料處理時，2018年和2020年中不大于0.010 kg/m的測次未參加檢驗[1]，其余各測點均參加了曲線關系檢驗。起點距750，910，1 150 m和起點距750，990，1 150 m兩種取樣方案的單斷沙關系線均為接近45°的直線（圖3～4）。對這些關系曲線進行檢驗，結果見表2。

從表2中可以看出，兩種取樣方案的單斷沙關系系數均滿足GB/T 50159-2015《河流懸移質泥沙測驗規(guī)范》4.1.1中的要求（一類精度站為0.95～1.05之間）。但在起點距750，990，1 150 m的方法中，雖然三線檢驗合格，但有的年份隨機不確定度超標準，而取樣位置在起點距750，910，1 150 m的單斷沙關系為最佳，各項檢驗指標均滿足規(guī)范規(guī)定。

3.2 取樣方案分析驗證

用單斷沙取樣位置分析結果與2021年1～5月的懸移質輸沙資料計算相應單樣含沙量，并用南方片2.0整匯編程序進行定線和檢驗。其中符號檢驗指標u=0.00≤1.15（顯著性水平a=0.25）合格，適線檢驗指標U=-1.80免檢，偏離數值檢驗指標|t|=0.85≤1.67（顯著性水平a=0.10）合格，系統(tǒng)誤差1.3%，隨機不確定度17.2%。單樣含沙量與斷面含沙量成果見表3，單斷沙關系曲線見圖5。從圖5和檢驗結果中可看出，單斷沙關系系數滿足測驗規(guī)范要求，三線檢驗也全部通過，系統(tǒng)誤差和隨機不確定度滿足整編規(guī)范要求。

4 結 論

通過湖口水文站2013～2020單樣含沙量-斷面平均含沙量關系的分析和2021年資料的驗證，得出主要的結論如下。

（1） 在湖口站測流斷面起點距750，910，1 150 m的三線按三點法2∶1∶1垂線混合法取樣，分開處理，算術平均法計算的含沙量代表性最好，可作為單樣含沙量的取樣位置。

（2） 因湖口站近年來含沙量小于0.050 kg/m3的測次達74%以上，且最小含沙量只有0.008 kg/m3，隨機不確定度雖在允許范圍內，但也偏大，這與含沙量小、相對誤差大有關。建議在確定用單斷沙關系進行整編時，可根據測站的實際情況確定單樣含沙量測次布置。

參考文獻：

[1] 李金寶， 劉睿， 劉玉平， 等. 八里橋水文站單樣含沙量的取樣位置分析[J]. 現(xiàn)代農業(yè)科技， 2015 （13）：248-249.

（編輯：江 文）

Analysis on measurement method of index sediment concentration at

Hukou Hydrological Station

XIE Yalei，KE Lili，XIE Bo

（Lower Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Jiujiang? 332000，China）

Abstract：Hukou Hydrologic Station is an important control station of Poyang Lake ， and it is a national hydrologic station where sediment measurement accuracy is required to reach classification I. The compilation method of cross-section suspended sediment discharge adopted for Hukou Hydrological Station is traditional vertical average sediment concentration method， which requires many times of measurement. To improve work efficiency，we analyzed vertical line position of index sediment concentration， then verified the relationship between index sediment concentration and cross-section average sediment concentration.The results showed that the improved compilation method could meet the requirements of the current hydrologic code ，and was available for Hukou Hydrological Station.

Key words：index sediment concentration; suspended sediment discharge; cross-section average sediment concentration; Hukou Hydrologic Station