阿勒泰地區(qū)泥沙間測對比分析

胡安尼別克·杰恩斯汗

(新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500)

阿勒泰地區(qū)河流在低水期沖淤變化較小使得其水位流量關(guān)系較為單一，而高洪期受洪水漲落影響水位流量關(guān)系單一性較為復(fù)雜，使得其泥沙測驗難度也較大[1]。阿勒泰地區(qū)水文測站在高洪期間測沙的次數(shù)不能少于3次，當(dāng)含沙量受洪峰重疊影響變化較為劇烈時，需要增加測沙的次數(shù)，才能滿足泥沙測驗資料數(shù)據(jù)整編的要求[2]。在汛期河道水量較為平穩(wěn)的時期需要每隔2～5 d進(jìn)行一次泥沙測驗，非汛期由于河道內(nèi)水量較低，含沙量變化相對較為穩(wěn)定，可每隔5～10 d進(jìn)行一次泥沙測驗，當(dāng)含沙量變化較為劇烈時需要對其測驗次數(shù)進(jìn)行相應(yīng)增加。當(dāng)前，隨著水文現(xiàn)代化逐年實施，水文測驗方式得到了明顯改進(jìn)和提高，河道泥沙測驗方式的變化也取得一定的研究成果[3-10]，其中泥沙間測方式目前成為國內(nèi)許多地方有泥沙測驗改進(jìn)的一種較為行之有效的方式，但泥沙間測方式需要結(jié)合不同區(qū)域不同類型河流的特點進(jìn)行分析，通過減少測次來提高區(qū)域河流泥沙測驗的效率。為提高阿勒泰地區(qū)泥沙測驗的效率，選取阿勒泰地區(qū)兩個水文站，對其懸移質(zhì)間測方式進(jìn)行探討。研究成果對于新疆地區(qū)泥沙測驗方式的改進(jìn)具有參考價值。

1 資料的選用與分析

1.1 分析資料的選用

按照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》(GB/T 50159—2015)的懸移質(zhì)泥沙測驗的精度要求，選取阿勒泰地區(qū)兩個水文測站2013—2022年30組懸移質(zhì)單斷沙數(shù)據(jù)，分析其歷史單沙關(guān)系曲線。結(jié)合阿勒泰地區(qū)水文站歷史含沙量數(shù)據(jù)，對不同年份單斷沙關(guān)系系數(shù)取值為1.00，對其斷面含沙量最大值進(jìn)行推求，通過分析，選取的阿勒泰水文站2020—2022年含沙量變幅盡量在70%～80%之間，斷面含沙量的變幅可滿足規(guī)范GB/T 50159—2015對泥沙間測比對分析的含沙量變幅的要求。對近3a來選取水文站的水位變幅，豐枯水位下其水位變幅總體可在80%以上，也可滿足規(guī)范GB/T 50159—2015對泥沙間測方式下水位變幅的占比要求，可用來對比分析阿勒地區(qū)水文站泥沙間測方式的可行性。

1.2 各年單斷沙關(guān)系分析

阿勒泰地區(qū)水文站懸移質(zhì)輸沙率量每年觀測的次數(shù)不低于10組，按照豐枯水位量級進(jìn)行懸移質(zhì)輸沙率測次的布設(shè)，汛期由于河道內(nèi)含沙量相對較高，因此在汛期布設(shè)的測次相對較多。在不同年份單沙數(shù)據(jù)和相應(yīng)斷面的斷沙實測數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上進(jìn)行數(shù)據(jù)點繪后，繪制一條斜率為1.0且縱、橫坐標(biāo)軸夾角均為45°的直線，直線以坐標(biāo)原點(0，0)為起點，單斷沙曲線繪制后按照規(guī)范GB/T 50159—2015進(jìn)行檢驗，以檢驗單斷沙曲線是否滿足泥沙測驗的誤差規(guī)范要求，在誤差檢驗后其單斷系數(shù)均采用0.985進(jìn)行泥沙資料的整編。單斷沙曲線可通過散點圖軟件進(jìn)行繪制，單斷沙系數(shù)可通過自動添加直線公式進(jìn)行計算，選取的阿勒泰地區(qū)兩個水文站的單斷沙關(guān)系系數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 阿勒泰兩個測站單斷沙關(guān)系系數(shù)計算結(jié)果

1.3 歷年單斷沙關(guān)系分析

將2012—2021年的所有實測斷沙和相應(yīng)單沙數(shù)據(jù)點繪在同一張圖上，通過原點(0，0)繪出一條直線且直線與縱、橫坐標(biāo)軸夾角均為45°(直線斜率為1.0)作為歷年綜合單斷沙關(guān)系線，采用三種檢驗方法對單斷沙關(guān)系線進(jìn)行檢驗，三種檢驗均符合泥沙定線精度要求，懸移質(zhì)泥沙關(guān)系曲線法定線精度指標(biāo)見表2。

表2 阿勒泰1#測站單沙～斷沙歷年綜合關(guān)系曲線檢驗結(jié)果

從選取的阿勒泰地區(qū)水文站單沙～斷沙歷年綜合關(guān)系曲線檢驗結(jié)果可看出，兩個測站不同檢驗樣本數(shù)據(jù)隨機不確定度分別為17.0%和16.5%，滿足規(guī)范GB/T 50159—2015中對泥沙測驗單沙～斷沙歷年綜合關(guān)系曲線隨機不確定度低于28%的檢驗要求，此外從阿勒泰地區(qū)各測站不同顯著性水平下符號、適線、偏離數(shù)值檢驗按照規(guī)范GB/T 50159—2015均可滿足標(biāo)準(zhǔn)檢驗要求。從兩個測站單沙～斷沙歷年綜合關(guān)系曲線檢驗的標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)誤差可看出，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.79%和0.85%，系統(tǒng)誤差分別為-0.60%和-0.70%，均滿足規(guī)范GB/T 50159—2015要求的標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)誤差均在±3.00%的誤差檢驗要求。

2 輸沙率間測誤差檢驗

在對阿勒泰地區(qū)兩個水文測站單沙～斷沙歷年綜合關(guān)系曲線檢驗基礎(chǔ)上，通過建立查讀關(guān)系曲線結(jié)合各站懸移質(zhì)輸沙率歷年值可以對其含沙量進(jìn)行推求，當(dāng)單斷沙關(guān)系曲線與歷年綜合曲線之間的偏差<±5%則可采用泥沙間測的方式進(jìn)行懸移質(zhì)泥沙測驗，單斷沙含沙量可采用歷年綜合線進(jìn)行泥沙資料在間測期間的整編處理。

2.1 各年關(guān)系線系數(shù)與綜合線系數(shù)分析

對阿勒泰地區(qū)兩個水文站近30組單斷沙觀測數(shù)據(jù)對其單斷沙綜合關(guān)系線和各年份單斷沙關(guān)系線進(jìn)行比測分析，2013—2022年近10 a單斷沙關(guān)系采用水文測驗整編程序進(jìn)行計算，用式(1)進(jìn)行各年斷沙的計算。

C斷(2012—2021)=K(2012—2021)×C單

C斷(歷年)=C單

(1)

式中：C斷(2012—2021)為2012—2021年的平均單斷沙，kg/m3；K(2012—2021)為2012—2021年的單斷沙折算系數(shù)；C單為單斷沙，kg/m3；C斷(歷年)為歷年平均斷面含沙量，kg/m3。

選取的阿勒泰地區(qū)兩個水文站不同年份歷年綜合單斷沙系數(shù)與各年單斷系數(shù)之間的誤差值計算結(jié)果如表3。

表3 阿勒泰兩測站歷年綜合單斷沙系數(shù)與各年單斷沙線系數(shù)之間誤差統(tǒng)計結(jié)果

從選取的阿勒泰地區(qū)兩個水文站年綜合單斷沙系數(shù)與各年單斷沙線系數(shù)之間誤差統(tǒng)計結(jié)果可看出，各站不同年份歷年綜合單斷沙系數(shù)與各年單斷系數(shù)之間的誤差值均在±2%以內(nèi)，按照據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL/T 247—2020)規(guī)定要求，滿足偏離綜合線最大誤差不能高于±2%的要求。

2.2 關(guān)系線誤差檢驗

采用t檢驗方法對阿勒泰地區(qū)水文站歷年綜合單斷沙數(shù)據(jù)和各年單斷沙數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差檢驗，顯著水平a值和臨界值按照規(guī)范SL/T 247—2020規(guī)定要求分別設(shè)置為0.05和1.96，各站點關(guān)系線誤差檢驗結(jié)果如表4所示。

表4 阿勒泰地區(qū)兩處測站綜合單斷沙關(guān)系線與各年單斷沙關(guān)系線t檢驗結(jié)果

通過阿勒泰地區(qū)各測站綜合單斷沙關(guān)系系數(shù)和各年單斷沙關(guān)系系數(shù)的T檢驗結(jié)果可看出，兩組樣本屬于同一總體系列，按照規(guī)范GB/T 50159—2015精度要求各年關(guān)系線相對偏離值均低于±5.0%，阿勒泰地區(qū)懸移值泥沙間測方式可行，懸移值泥沙間測期間可在相對水深為0.6 m或0.5 m的區(qū)域進(jìn)行單樣含沙量的選取和測定，測次需要按照規(guī)范要求進(jìn)行均勻布設(shè)，在進(jìn)行泥沙資料整編時可采用歷年綜合單斷沙關(guān)系線進(jìn)行單斷沙的分析，按照規(guī)范GB/T 50159—2015的要求懸移測泥沙間測時測次布設(shè)和次；采用歷年綜合單斷沙關(guān)系線進(jìn)行資料整編時，間測期間的施測年份不能低于12次，間測期間在進(jìn)行泥沙資料整編時含沙量要高于均值，當(dāng)測沙斷面受人為影響較為明顯時應(yīng)對阿勒泰地區(qū)泥沙測驗間測方式進(jìn)行重新評估和誤差檢驗。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)阿勒泰地區(qū)水文測站水位及含沙量變幅高于80%時，可采用間測方式來提高阿勒泰地區(qū)懸移質(zhì)泥沙測驗的時效性。

(2)對于阿勒泰地區(qū)水文站而言，可采用懸移質(zhì)輸沙率歷年值和實測單沙測驗成果進(jìn)行綜合得到單斷沙歷年綜合關(guān)系線后，進(jìn)行誤差檢驗，單斷沙關(guān)系歷年綜合關(guān)系線偏離誤差應(yīng)低于±5%。

(3)當(dāng)測沙斷面受人為影響較為明顯時應(yīng)對阿勒泰地區(qū)泥沙測驗間測方式進(jìn)行重新評估和誤差檢驗，從而滿足規(guī)范GB/T 50159—2015泥沙測驗的精度要求。