謝富東（新疆水利廳瑪納斯河流域管理處，新疆 石河子 832000）

新疆瑪納斯河懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)解析

謝富東
（新疆水利廳瑪納斯河流域管理處，新疆 石河子 832000）

新疆瑪納斯河屬多沙河流，河水下泄帶來大量的推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙。推移質(zhì)的測驗(yàn)自1959年紅山嘴引水樞紐建成兩年后便開始進(jìn)行測驗(yàn)，但懸移質(zhì)測驗(yàn)一直沒有開展，隨著下游用水單位對水質(zhì)的要求逐漸提高，直至2004年才開始進(jìn)行了懸移質(zhì)的測驗(yàn)，在石河子水文水資源勘測局的幫助和指導(dǎo)下，在測驗(yàn)方法的選擇、斷面位置的選擇、資料分析整編以及誤差分析等各個(gè)方面進(jìn)行了測驗(yàn)，取得了較為有價(jià)值的資料。

河道；懸移質(zhì)；測驗(yàn)；解析

1 瑪納斯河水文氣象

1.1 氣溫

瑪納斯河平原地區(qū)多年平均氣溫 6.0℃—6.8℃，山區(qū)多年平均氣溫3.9℃—6.2℃，最低月平均氣溫在1月，平原為-14.9℃—-20.6℃，山區(qū)為-17.9℃—-22.4℃，冬季月平均氣溫由平原至山區(qū)逐漸增溫，遞增率為每上升海拔100m，增高溫度0.4℃，夏季月平均氣溫以平原向山區(qū)逐漸降低，遞減率為每上升海拔100m，降低溫度0.7℃。

1.2 降水

本區(qū)降水特點(diǎn)是降水量少，分布不均勻，變率大，年降水量由北向南隨高度遞增，遞增率為每上升海拔100m，增加34m m降水量，靠近沙漠邊緣降水量少，僅有117m m，山前石河子市附近年降水200m m左右，前山帶至中山帶300—430m m，中山帶以上年降水量可達(dá)700m m以上。本區(qū)降水東部多于西部，雨量隨高度的增加而相應(yīng)增加，平原區(qū)各季降水量變化較均勻，山區(qū)變化較大，冬季降水量平原區(qū)大于山區(qū)，夏季山區(qū)降水量大于平原區(qū)。

1.3 水質(zhì)

瑪納斯河流水質(zhì)量屬于重碳酸類水，水質(zhì)良好，河流沿程無大的污染源，常量元素 C a+、Mg+、So4-、Ce-礦化度含量不大，未超過生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，肯斯瓦特與紅山嘴兩水文站總硬度分別為6.63和7.48德國度，清水河子5.95德國度。以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)衡量屬于飲用水，可用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水等各種用途。

2 瑪河工程概況

2.1 瑪河渠首——引水樞紐工程

瑪河渠首是新疆較早運(yùn)用費(fèi)爾干式渠首的水工建筑物，地處瑪納斯河紅山谷出山口處，由連接總干渠的4孔進(jìn)水閘，連接河道的7孔泄洪沖沙閘、溢流堰及上游河道整治段、防洪堤、丁字壩等水工建筑物組成，上游控制性水庫肯斯瓦特水庫目前在建中。

2.2 東岸大渠——主要輸水工程

東岸大渠通過瑪河第一總分水閘與渠道總干渠相連，流經(jīng)瑪納斯縣蘭州灣鄉(xiāng)，全長18km，原為干砌卵石護(hù)坡護(hù)底，現(xiàn)已經(jīng)逐年改為混凝土板防滲，直接在原干砌石上護(hù)面，流速加大，是瑪納斯河最主要的輸水工程。

在五級電站尾水渠上，設(shè)節(jié)制分水閘，通過涵洞向西岸供水。涵洞設(shè)有進(jìn)水閘2孔，斷面為倒卵形雙孔干砌卵石結(jié)構(gòu)。每孔凈跨 3.25m，拱厚0.5m，全長680m，設(shè)計(jì)流量23m3/s，為西岸上游石河子灌區(qū)輸水。

在東岸大渠8+900m處，由紅山嘴電廠電站渠經(jīng)二、三、四級電站發(fā)電的棄水匯入東岸大渠，流向十五公里處，設(shè)計(jì)流量65m3/s。在15+100m處，設(shè)有退水閘3孔，節(jié)制閘2孔，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平板鋼閘門，設(shè)計(jì)退水流量50m3/s，由瑪納斯河老河床排出，注入夾河子水庫。

3 泥沙測驗(yàn)斷面的選擇

經(jīng)瑪納斯河流域管理處和石河子水文水資源勘測局有關(guān)部門對渠首至東岸三站整個(gè)渠道的實(shí)地考察，從兩個(gè)方面考慮確定了泥沙測驗(yàn)的斷面:

（1）以能夠控制各渠道的年內(nèi)泥沙變化為原則，有利于控制渠道含沙量及掌握渠道中含沙量的變化過程。

（2）從節(jié)約資金和工作量的角度考慮，不再另外增加泥沙測驗(yàn)斷面，斷面設(shè)置主要是利用現(xiàn)有測流斷面，作為泥沙測驗(yàn)斷面。

根據(jù)上述條件，確定五個(gè)泥沙測驗(yàn)斷面為:

（a）一站的總干渠、電站渠。

（b）二站的八公里東岸大渠、五級尾水。

（c）三站的十五公里東岸大渠上斷面。

4 泥沙測驗(yàn)方法的選擇

4.1 測站類別的確定

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》（GB 5015P-92）規(guī)定:“二類站為一般控制站和重點(diǎn)區(qū)域代表站”的規(guī)定，結(jié)合東岸引水渠道的自身情況，定為二類基本泥沙站。

4.2 測驗(yàn)方法的選擇

根據(jù)東岸引水渠道現(xiàn)有的情況，測流斷面處架設(shè)有測橋，測流水深也較小，水面寬不大。故泥沙測驗(yàn)方法采用:橫式采樣器取樣，輸沙率測沙垂線定為七條，垂線取樣為一線0.6選點(diǎn)法。

4.3 測驗(yàn)情況介紹

2006年各泥沙測驗(yàn)站從1月開始全年實(shí)施監(jiān)測，具體情況見表1。

表1 2006年各泥沙測驗(yàn)站監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.3.1懸移質(zhì)輸沙率測次的布置

輸沙率測驗(yàn)次數(shù)各月分布情況具體為:5、9月各斷面每五天測一次，6—8月各斷面每三天測一次，其余適當(dāng)安排測次。

4.3.2單位水樣含沙量測次的布置

單位水樣含沙量的測次不是全年平均分配，應(yīng)主要集中在洪水期時(shí)段，而平水期、枯水期時(shí)段則適當(dāng)布置一定數(shù)量的測次，以能控制含沙量的變化過程，并且能準(zhǔn)確推算全年的逐日平均輸沙率為原則進(jìn)行。

4.3.3取樣位置的選擇

單位水樣取樣位置的確定，一般應(yīng)通過輸沙率資料數(shù)據(jù)的分析選定。由于在此之前的輸沙率資料很少，因此，根據(jù)《水文測驗(yàn)手則》（第1冊1975）的規(guī)定，“斷面比較穩(wěn)定，含沙量橫向分布比較規(guī)律的站，在主流附近選取一條垂線取樣”。確定各站的取樣位置為:

（1）總干渠:測流斷面起點(diǎn)距7.00m處；

（2）電站渠:測流斷面起點(diǎn)距7.50m處；

（3）八公里東岸大渠:測流斷面起點(diǎn)距6.50m；

（4）五級尾水:測流斷面起點(diǎn)距12.20m；

（5）十五公里東上:測流斷面起點(diǎn)距6.80m處。

5 泥沙資料整編

5.1 工作內(nèi)容

（1）編制實(shí)測懸移質(zhì)輸沙率成果表；

（2）繪制單樣含沙量與斷面平均含沙量關(guān)系曲線圖；

（3）關(guān)系曲線檢驗(yàn)與分析內(nèi)容；

（4）數(shù)據(jù)處理過程和結(jié)果；

（5）整編逐日平均懸移質(zhì)輸沙率、逐日平均含沙量表，并做出電子檔。

5.2 資料整編情況介紹及成果評價(jià)

通過對五個(gè)斷面的資料整編，確定渠首電站渠、八公里東岸大渠、五級尾水單斷沙關(guān)系為單一線，總干渠、十五公里東上單斷沙關(guān)系為近似法。

5.2.1編制實(shí)測懸移質(zhì)輸沙率成果表

首先對懸移質(zhì)水樣處理表進(jìn)行含沙量計(jì)算、校核，對懸移質(zhì)輸沙率記載表計(jì)算斷面平均含沙量，編制實(shí)測懸移質(zhì)輸沙率成果表。

5.2.2繪制單樣含沙量與斷面平均含沙量關(guān)系曲線

分別繪制各斷面單斷沙關(guān)系曲線。

5.2.3關(guān)系曲線的分析與檢驗(yàn)

通過繪制單樣含沙量與斷面平均含沙量關(guān)系曲線，可以看出渠首電站渠、八公里東岸大渠、五級尾水關(guān)系點(diǎn)較密集且分布成一帶狀，關(guān)系點(diǎn)無明顯系統(tǒng)偏離，即可定為單一線推求斷沙；而總干渠、十五公里東上兩斷面單斷沙關(guān)系散亂，沒有明顯的系統(tǒng)規(guī)律，單斷沙關(guān)系不好，不能用單一線法等方法推求斷沙，故采用近似法（即單沙近似當(dāng)做斷沙）。

為驗(yàn)證單樣含沙量與斷面平均含沙量關(guān)系曲線的正確與否，目前我國水文資料整編均參照國際標(biāo)準(zhǔn)I SO 01100/2的要求，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-1999）進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的檢驗(yàn)，具體檢驗(yàn)內(nèi)容如下:

（1）符號檢驗(yàn):檢驗(yàn)所定單斷沙關(guān)系曲線兩側(cè)測點(diǎn)數(shù)目分布是否均衡合理，以此判斷關(guān)系曲線是否正確。

（2）適線檢驗(yàn):按單位含沙量遞增次序，檢驗(yàn)實(shí)測點(diǎn)偏離曲線正負(fù)號的排列情況，以此檢查關(guān)系曲線有無明顯系統(tǒng)偏離。

（3）偏離數(shù)值檢驗(yàn):檢驗(yàn)測點(diǎn)偏離關(guān)系曲線的平均偏離值（即平均相對誤差）是否在合理范圍內(nèi)，以此用數(shù)據(jù)論證關(guān)系曲線是否合理。

（4）隨機(jī)不確定度:檢驗(yàn)隨機(jī)誤差是否按正態(tài)分布，采用置信水平為95%，隨機(jī)不確定度在數(shù)值應(yīng)為2倍標(biāo)準(zhǔn)差。

（5）系統(tǒng)誤差:檢驗(yàn)儀器、水樣處理、取樣時(shí)間、垂線取樣方法及取樣垂線數(shù)目等測驗(yàn)誤差分量。

單斷沙檢驗(yàn)結(jié)果及評價(jià)

渠首電站渠、八公里東岸大渠、五級尾水三斷面單斷沙關(guān)系檢驗(yàn)結(jié)果，全部合格，滿足定線要求；總干渠、十五公里東上兩斷面單斷沙關(guān)系檢驗(yàn)結(jié)果不滿足定線要求。

5.2.4數(shù)據(jù)處理

在處理數(shù)據(jù)之前，編制單位水樣含沙量成果表。當(dāng)缺測期間水沙變化平緩，或變化較大但未跨越峰、谷值時(shí)，用未測時(shí)段兩端的實(shí)測單沙，按時(shí)間比例直線插補(bǔ)缺測時(shí)段的單沙。采用計(jì)算機(jī)整編資料。

5.2.5整編懸移質(zhì)輸沙率、含沙量表

渠首電站渠、八公里東大、五級尾水為單一線，分別有單斷沙關(guān)系系數(shù)K（關(guān)系曲線斜率）=斷沙/單沙。如下:

電站渠: K=1.05八公里東大: K=1.03五級尾水: K=1.00

整編逐日平均含沙量表，用K值分別與逐日單位水樣含沙量相乘，算出逐日平均含沙量，逐日平均含沙量與逐日平均流量相乘，算出逐日平均輸沙率，根據(jù)以上成果，算出各斷面的泥沙統(tǒng)計(jì)量。

6 取樣位置分析

6.1 取樣位置分析的目的

取樣位置分析的目的是為了滿足泥沙測驗(yàn)方法與分析計(jì)算等方面的技術(shù)要求，保證泥沙測驗(yàn)精度，提供可靠的基礎(chǔ)資料，建立單斷沙關(guān)系，定線精度指標(biāo)達(dá)到規(guī)范的要求，以滿足斷面含沙量的推求。

6.2 方案確定

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》（GB 5015P-92）第7.6.1條規(guī)定，采用單斷沙關(guān)系曲線的站，取得30次以上的各種水沙條件下的輸沙率資料后，應(yīng)進(jìn)行單樣取樣位置分析。在每年的資料整編過程中，應(yīng)對單樣含沙量的測驗(yàn)和取樣位置進(jìn)行檢查、分析。

6.3 方法選定及結(jié)論

6.3.1總干渠

2006年截止年底，共施測輸沙率40份，其中，有13份資料測次分布不合理，各垂線取樣誤差很大，不能反映泥沙的真實(shí)情況。因此，只有27份輸沙率測次可用，相應(yīng)點(diǎn)出單斷沙比值橫向分布圖。橫坐標(biāo)分別為取樣位置起點(diǎn)距5m、7m、8.5m、10m、11.5m、13m、15m，縱坐標(biāo)分別是用斷面平均含沙量與相應(yīng)各點(diǎn)單樣含沙量的比值。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50159-92）第7.6.2條規(guī)定:斷面比較穩(wěn)定，主流擺動不大的站，應(yīng)選擇幾條能代表各級水位、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，在圖上選擇垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的比值最為集中，且等于1處，確定一條或兩條垂線，作為單樣取樣位置，由此建立單斷沙關(guān)系曲線，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，一類站相對誤差不應(yīng)大于7%，二、三類站不應(yīng)大于10%。即可得出結(jié)論:10m處作為單樣取樣位置比較合適。

6.3.2十五公里東上

2006年截止年底，共施測輸沙率47份，其中，有11份測次分布不合理，各垂線取樣誤差很大，不能反映泥沙的真實(shí)情況。因此，只有36份輸沙率測次可用，相應(yīng)點(diǎn)出單斷沙比值橫向分布圖。橫坐標(biāo)分別為取樣位置起點(diǎn)距 4m、6.8m、8.5m、9.7m、11.5m、12.6m、15.4m，縱坐標(biāo)分別是用斷面平均含沙量與相應(yīng)各點(diǎn)單樣含沙量的比值。

同理根據(jù)上述引用國標(biāo)的規(guī)定，即可得出結(jié)論:12.6m處作為單樣取樣位置比較合適。

7 測驗(yàn)誤差分析

通過對五個(gè)斷面的泥沙資料整編，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在泥沙測驗(yàn)過程中存在以下問題:

（1）由于泥沙測驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致測驗(yàn)時(shí)機(jī)把握不好。

（2）在泥沙測驗(yàn)過程中，沒有按規(guī)范的要求實(shí)施，同一份懸移質(zhì)輸沙率中各垂線平均含沙量相差很大，造成的原因是取沙時(shí)相對水深沒有放到位置所致。

（3）采樣器入水后，沒有等水流平穩(wěn)正常，就采取水樣，導(dǎo)致產(chǎn)生誤差。

（4）處理水樣時(shí)，泥沙沒有處理干凈，產(chǎn)生誤差。

以上各種原因?qū)е驴偢汕褪骞飽|上兩測站泥沙資料整編采用近似法。

8 結(jié)束語

通過五年的泥沙測驗(yàn)，從泥沙測驗(yàn)、資料整編的角度來看，泥沙測驗(yàn)的結(jié)果，總體還是不錯(cuò)的。為了使今后的泥沙測驗(yàn)?zāi)芨雍侠?、?zhǔn)確地反映河（渠）道泥沙的含沙量變化過程，以及得到可靠的基礎(chǔ)資料，改進(jìn)建議如下:

（1）為了保證資料的完整性，單樣水樣含沙量從1月1日—12月31日全年實(shí)測，1月1日、12月31日必須取單樣。其余時(shí)間按任務(wù)書規(guī)定完成測驗(yàn)任務(wù)。

（2）建議制定泥沙測驗(yàn)管理制度，平時(shí)由相關(guān)部門進(jìn)行經(jīng)常性檢查，加強(qiáng)泥沙測驗(yàn)管理。

（3）為了保證整編資料的質(zhì)量，建議沙包在每月月初帶回，送達(dá)實(shí)驗(yàn)室稱重記錄保存。次月完成懸移質(zhì)輸沙率的斷面平均含沙量的計(jì)算工作。

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謝富東（1978年—），男，工程師