新疆喀什地區(qū)水文站測沙垂線精簡分析

丁 勝

(新疆喀什水文勘測局,新疆 喀什 844000)

喀什地區(qū)河流含沙量相對較高,葉爾羌河年平均輸沙量在21.8萬t,汛期受暴雨洪水影響,河道輸沙量增大,使得河流水沙測驗(yàn)頻次增高,按照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》GB 50159—92測沙精度要求,在河面寬度高于50m的斷面需要布設(shè)15條以上的測沙垂線[1]。當(dāng)前,隨著水文現(xiàn)代化的快速發(fā)展,河道水文測驗(yàn)的手段不斷得到提升,測驗(yàn)斷面水位已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測,流量觀測也從傳統(tǒng)纜道測流方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)锳DCP測流方式,流量測驗(yàn)時(shí)效性得到不同程度的提升,但在斷面含沙量測驗(yàn)時(shí),還主要通過布設(shè)測沙垂線,來推求斷面平均含沙量,雖然近些年來,河道自動(dòng)測沙研究取得一定成果,但是目前還處于試驗(yàn)階段,很難短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行推廣和應(yīng)用[2-4]。目前,國內(nèi)對于河道測沙效率提升主要是通過對其測沙垂線進(jìn)行精簡組合,通過國內(nèi)一些實(shí)例研究表明,通過分析測沙垂線精簡組合,可以對傳統(tǒng)測沙垂線進(jìn)行精簡,從而提高泥沙測驗(yàn)效率。為提高喀什地區(qū)泥沙測驗(yàn)的效率,以庫魯克欄桿水文站為具體實(shí)例,對其不同測沙垂線精簡組合下的誤差進(jìn)行比測分析。研究成果對于喀什地區(qū)水文站測沙效率提升具有參考價(jià)值。

1 研究方法

1.1 測沙垂線精簡

測沙垂線精簡主要方式為對測沙垂線進(jìn)行組合分析,建立各精簡垂線方案下的回歸方程,通過對回歸方程進(jìn)行相關(guān)性分析,確定最優(yōu)的測沙垂線組合方式。在確定最優(yōu)測沙垂線精簡組合方式下采用人工同步觀測方式對測沙精簡組合方式下的誤差精度進(jìn)行檢驗(yàn),是否滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》GB 50159—92測沙精度要求[5]。

1.2 誤差分析指標(biāo)

系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度及標(biāo)準(zhǔn)值是斷面測沙垂線精簡組合方式下誤差檢驗(yàn)指標(biāo),其中系統(tǒng)誤差△N計(jì)算方程為:

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

標(biāo)準(zhǔn)差Se對于測沙垂線精簡后的計(jì)算方程為:

(2)

測沙垂線精簡后其隨機(jī)不確定度計(jì)算方程為:

(3)

(4)

式中:Csi為含沙量在精簡測沙垂線后的測驗(yàn)值,g/m3;Csci為為含沙量在精簡測沙垂線后的測驗(yàn)值,g/m3;n為測沙垂線精簡后布設(shè)的數(shù)量,條;X＇cs為隨機(jī)不確定度在95%置信水平下的檢驗(yàn)值;Xcs為為隨機(jī)不確定度在75%置信水平下的檢驗(yàn)值。

2 實(shí)例分析

2.1 站點(diǎn)概況

以分別以庫魯克欄桿和卡群站水文站為具體實(shí)例,庫魯克欄桿和卡群站水文站為葉爾羌河干流主要控制水文站,庫魯克欄桿水文站位于葉爾羌河干流主上游區(qū)域,測驗(yàn)斷面以上匯水面積為32880km2?？ㄈ核恼疚挥谌~爾羌河干流出山口,測驗(yàn)斷面以上匯水面積為50248km2。葉爾羌河干流主要控制水文站測驗(yàn)斷面均較為順直,測驗(yàn)河段斷面在150～200m之間,各站年含沙量均值在3.48～4.75kg/m3之間,各站均采用傳統(tǒng)測沙方式進(jìn)行斷面含沙量的測定,按照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》GB 50159—92測沙規(guī)范要求,布設(shè)15條以上測沙垂線,通過測定各測沙垂線的含沙量,來推求斷面平均含沙量。

2.2 測沙垂線布設(shè)

庫魯克欄桿和卡群站水文站在測驗(yàn)斷面即中弘斷面上游、中游、下游按照不同起點(diǎn)距分別布設(shè)測沙垂線,其測沙斷面及庫魯克欄桿和卡群站水文站測沙垂線布設(shè)斷面位置如表1、表2及表3所示。

表1 測沙垂線比測布設(shè)位置

表2 庫魯克欄桿測沙垂線分布

表3 卡群站測沙垂線分布

*S表示測沙垂線編號(hào)

2.3 測沙垂線精簡組合方式

在庫魯克欄桿和卡群站水文站測沙垂線分析的基礎(chǔ)上,分別對不同測沙垂線精簡組合方式下的回歸方程進(jìn)行分析,其中Y表示為斷面平均含沙量,X表示為單條測沙垂線測定的含沙量,庫魯克欄桿和卡群站水文站不同測沙垂線組合方式下的回歸方程和其相關(guān)系數(shù)如表4和表5所示。

表4 庫魯克欄桿水文站測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸分析結(jié)果

表5 卡群水文站測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸分析結(jié)果

從庫魯克欄桿水文站測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸分析結(jié)果,測沙垂線越精簡其回歸方程的回歸系數(shù)越低,當(dāng)測沙垂線精簡組合達(dá)到6條以上后,其測沙垂線精簡組合下的斷面含沙量和單斷面含沙量之間的回歸系數(shù)達(dá)到0.6以上,滿足河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》GB50159—92誤差允許范圍要求,這主要是因?yàn)閿嗝婧沉繙y沙垂線越少,其對斷面含沙量的代表性越低,因此當(dāng)其測沙垂線精簡組合低于6條時(shí),其測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸系數(shù)低于0.6。從卡群水文站測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸分析結(jié)果可看出,和庫魯克欄桿水文站較為一致,當(dāng)測沙垂線精簡組合為6條后其測沙垂線測定的斷面含沙量和單沙之間的回歸系數(shù)達(dá)到0.6以上,滿足含沙量測驗(yàn)規(guī)范精度要求。這主要是因?yàn)槿~爾羌河從上游到下游其含沙量空間分布差異性相對較小,使得其上游水文站和下游水文站測沙垂線精簡組合下的條數(shù)具有相似性[6-8]。

2.4 測沙垂線精簡前后精度檢驗(yàn)

在在庫魯克欄桿和卡群站水文站測沙垂線精簡回歸分析基礎(chǔ)上,按照河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》GB50159—92要求,對不同測沙垂線精簡組合方式下的隨機(jī)不確定度、標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差進(jìn)行精度檢驗(yàn),各站檢驗(yàn)結(jié)果如表6和表7所示。

表6 庫魯克欄桿水文站測沙垂線精簡組合下精度檢驗(yàn)結(jié)果

表7 卡群水文站測沙垂線精簡組合下精度檢驗(yàn)結(jié)果

從庫魯克欄桿水文站測沙垂線精簡組合下精度檢驗(yàn)結(jié)果可看出,在2～5條測沙垂線精簡組合下其隨機(jī)確定度高于5.0,標(biāo)準(zhǔn)差也均在±10%以上,系統(tǒng)誤差在±20%以上,均未能滿足河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》GB50159—92要求,此外庫魯克欄桿水文站2～5條測沙垂線精簡組合進(jìn)行置信水平檢驗(yàn),均未能通過75%的置信度檢驗(yàn),當(dāng)測沙垂線精簡組合在6條以上后,其各項(xiàng)誤差檢驗(yàn)指標(biāo)均下降較為明顯,其中隨機(jī)不確定度均低于5.0,標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)誤差也均在±10%以內(nèi),且均能通過90%的置信度檢驗(yàn)。相比于庫魯克欄桿水文站,卡群水文站各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)相對較高,但和庫魯克欄桿水文站具有一致性,當(dāng)測沙垂線精簡組合為6條后,其均可滿足滿足河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》GB50159—92誤差允許要求,且各測沙垂線精簡組合下均能通過90%的置信度檢驗(yàn)。通過對庫魯克欄桿水文站和卡群水文站進(jìn)行測沙垂線精簡組合分析,對于喀什地區(qū)水文站而言,當(dāng)其含沙量低于0.5kg/m3后,采用6-10條測沙垂線進(jìn)行精簡組合后均可滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》GB50159—92精度要求。

3 結(jié) 語

1)通過測沙垂線精簡組合分析,可以對水文站測沙垂線精簡組合方式進(jìn)行優(yōu)選,對于喀什地區(qū)而言,當(dāng)其測沙垂線精簡組合方式為6條時(shí),即可滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》GB50159—92精度要求,隨著測沙垂線精簡組合條數(shù)增加,其誤差逐步降低。

2)測沙垂線精簡組合方式適合于中低含沙量的河流,對于汛期河流含沙量較高時(shí),還應(yīng)及時(shí)恢復(fù)測沙垂線條數(shù),以保證整個(gè)沙峰過程的測定。

3)文章對測沙垂線優(yōu)化組合方式未進(jìn)行探索,在后續(xù)研究中應(yīng)結(jié)合工作實(shí)際探索水文站測沙垂向的最優(yōu)組合方式。