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)的測驗自1959年紅山嘴引水樞紐建成兩年后便開始進(jìn)行測驗，但懸移質(zhì)測驗一直沒有開展，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，在石河子水文水資源勘測局的幫助和指導(dǎo)下，在測驗方法的選擇、斷面位置的選擇、資料分析整編以及誤差分析等各個方面進(jìn)行了測驗，取得了較為有價值的資料。

河道；懸移質(zhì)；測驗；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用費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渠道的實地考察，從兩個方面考慮確定了泥沙測驗的斷面:

（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，作為泥沙測驗斷面。

根據(jù)上述條件，確定五個泥沙測驗斷面為:

（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)泥沙測驗規(guī)范》（GB 5015P-92）規(guī)定:“二類站為一般控制站和重點區(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選點法。

4.3 測驗情況介紹

2006年各泥沙測驗站從1月開始全年實施監(jiān)測，具體情況見表1。

表1 2006年各泥沙測驗站監(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段，而平水期、枯水期時段則適當(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:測流斷面起點距7.00m處；

（2）電站渠:測流斷面起點距7.50m處；

（3）八公里東岸大渠:測流斷面起點距6.50m；

（4）五級尾水:測流斷面起點距12.20m；

（5）十五公里東上:測流斷面起點距6.80m處。

5 泥沙資料整編

5.1 工作內(nèi)容

（1）編制實測懸移質(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

通過對五個斷面的資料整編，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)行含沙量計算、校核，對懸移質(zhì)輸沙率記載表計算斷面平均含沙量，編制實測懸移質(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

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)系點較密集且分布成一帶狀，關(guān)系點無明顯系統(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)行各項指標(biāo)的檢驗，具體檢驗內(nèi)容如下:

（1）符號檢驗:檢驗所定單斷沙關(guān)系曲線兩側(cè)測點數(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:按單位含沙量遞增次序，檢驗實測點偏離曲線正負(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:檢驗測點偏離關(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）隨機不確定度:檢驗隨機誤差是否按正態(tài)分布，采用置信水平為95%，隨機不確定度在數(shù)值應(yīng)為2倍標(biāo)準(zhǔn)差。

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

單斷沙檢驗結(jié)果及評價

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，用未測時段兩端的實測單沙，按時間比例直線插補缺測時段的單沙。采用計算機整編資料。

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方法與分析計算等方面的技術(shù)要求，保證泥沙測驗精度，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情況。因此，只有27份輸沙率測次可用，相應(yīng)點出單斷沙比值橫向分布圖。橫坐標(biāo)分別為取樣位置起點距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情況。因此，只有36份輸沙率測次可用，相應(yīng)點出單斷沙比值橫向分布圖。橫坐標(biāo)分別為取樣位置起點距 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 測驗誤差分析

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

（1）由于泥沙測驗的經(jīng)驗不足，導(dǎo)致測驗時機把握不好。

（2）在泥沙測驗過程中，沒有按規(guī)范的要求實施，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，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，從泥沙測驗、資料整編的角度來看，泥沙測驗的結(jié)果，總體還是不錯的。為了使今后的泥沙測驗?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日全年實測，1月1日、12月31日必須取單樣。其余時間按任務(wù)書規(guī)定完成測驗任務(wù)。

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

（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)實驗室稱重記錄保存。次月完成懸移質(zhì)輸沙率的斷面平均含沙量的計算工作。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.018

謝富東（1978年—），男，工程師