柳　恒，趙　明，曲志強，任寶學

（松遼委水文局黑龍江上游中心，黑龍江黑河164300）

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簡化懸移質(zhì)輸沙率測驗方法探討

柳恒，趙明，曲志強，任寶學

（松遼委水文局黑龍江上游中心，黑龍江黑河164300）

［摘 要］水文測驗先進設備的應用，對傳統(tǒng)懸移質(zhì)輸沙率測驗方法提出了新的問題，本文對卡倫山水文站懸移質(zhì)輸沙率測驗方法進行精簡比測試驗分析，并對簡化方法的成果精度進行了驗證，探討了簡化懸移質(zhì)輸沙率測驗方法的可行性。

［關鍵詞］懸移質(zhì)輸沙率；測驗；方法；簡化；卡倫山水文站

1　測站概況

黑龍江干流自源頭至中游912 km區(qū)間共分布3個水文站，自上游往下分別為洛古河站、上馬廠站、卡倫山站。

卡倫山站位于黑龍江干流上、中游交界河段，結雅河下游18.9 km，是黑龍江干流澤雅河口下游控制站。集水面積7.25×105km2，至河口距離1 899 km。河道順直，長約2 500 m，深槽偏于右岸，平水時河寬約900 m、最大水深約7.0 m。汛期斷面最大含沙量不超過500 g/m3，河床為沙卵石組成，斷面沖淤變化不大，水位流量關系線為單一曲線。河段比降較小，水面比降較小，高低水比降均在0.05‰～0.14‰間變化。

2　泥沙測驗情況

卡倫山水文站自建站以來，懸移質(zhì)輸沙率測驗主要是固定取樣垂線，根據(jù)水面寬及斷面情況布設10條取樣垂線，采用橫式采樣器2∶1∶1垂線混合取樣、流量加權計算斷面平均含沙量，即垂線混合法。懸移質(zhì)輸沙率測驗僅暢流期開展，與流量測驗同步進行，采用120 kW水文測船，懸掛150 kg鉛魚及橫式采樣器渡河開展懸移質(zhì)輸沙率測驗工作，根據(jù)水位變化均勻布置測次，測驗次數(shù)不少于10次，每次測驗時間為2～3 h。2008年ADCP（聲學多普勒流速剖面儀）正式投入使用后，測站流量測驗采用30馬力沖鋒舟載ADCP渡河測驗，單次流量測驗時間約1 h，測驗人數(shù)為3人，僅為傳統(tǒng)測驗方式人數(shù)的1/2，但因在ADCP測流方式下，無法搭載鉛魚及橫式采樣器，懸移質(zhì)輸沙率測驗方法無法同步進行，還需要再來一遍傳統(tǒng)的懸移質(zhì)輸沙率測驗，費時費力，水文測驗效率得不到提高。為了配合ADCP流量測驗，懸移質(zhì)輸沙率測驗方法也要做相應的改進。為此，提出精簡取樣垂線測點，并進行對比試驗，此次以卡倫山水文站為試點，進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)兩者存在良好的關系，通過垂線上一點法與三點法的取樣數(shù)據(jù)比較，相關程度較高，再通過一定關系將垂線上取一點的含沙量換算成常規(guī)方法三點的含沙量的方法是可行的。這樣做可以縮減外業(yè)取樣、內(nèi)業(yè)泥沙處理、摘錄、計算等大量的工作量，更好地配合ADCP流量測驗工作?；谶@項工作的現(xiàn)實意義，本文對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，以探討和驗證此法的實際可行性。

3　對比試驗方法

試驗地點選擇卡倫山站流量測驗斷面，采用120 kW的水文測驗船渡河進行懸移質(zhì)輸沙率測驗，取樣設備為鉛魚、橫式采樣器、水樣桶。

3.1取樣位置

此次比測，根據(jù)測站斷面形狀共選取2條具有代表性的垂線，如圖1所示的卡倫山水文站測驗斷面起點距100 m處岸邊的垂線和起點距310 m處中泓的垂線。取樣垂線點數(shù)共2種：一是三點法，即每條垂線相對水深0.2，0.6，0.8 m處；二是一點法，即每條垂線相對水深0.2 m處。

圖1　測驗河段斷面圖

3.2取樣方法

根據(jù)水位變化情況，布設取樣測次，懸移質(zhì)輸沙率測驗工作由測驗人員完成，每次測驗時在每條垂線上采用三點法和一點法各取一次水樣，樣品拿回實驗室進行過濾、烘干、稱重，計算含沙量。

4　資料分析

4.1斷面穩(wěn)定情況

卡倫山站選擇了1990，1995，2000，2005，2009年實測大斷面成果，點繪于同張圖上進行比較，可以看出，測驗斷面基本穩(wěn)定，只是在起點距250～600 m處略有淤積及沖刷變化（見圖2），但從歷年測驗成果上看，斷面面積基本未發(fā)生變化，歷年水位面積關系點據(jù)可定1條穩(wěn)定的單一曲線。

圖2　卡倫山站歷年大斷面圖

通過以上分析，可以看出卡倫山站自1987年建站以來測驗斷面受沖淤變化小，斷面河床保持穩(wěn)定。這為含沙量沿垂線的分布保持穩(wěn)定創(chuàng)造條件，為探討此法提供可行性。

4.2關系線的確定與精度檢驗

2014—2015年暢流期共完成懸移質(zhì)輸沙率比測取樣32次。選取該站全部測次資料進行統(tǒng)計分析，根據(jù)三點法計算的含沙量與一點法計算的含沙量建立相關關系（見圖3），建立推求垂線平均含沙量的關系，關系式如下：

y=0.966 9x，R2=0.983 3

式中：y為推求所得垂線平均含沙量；x為一點法計算所得垂線平均含沙量。

圖3　三點法和一點法計算垂線平均含沙量關系線

對所推求的關系線進行誤差精度檢驗：2014—2015年，含沙量誤差小于5%的累計頻率為62.5%，含沙量系統(tǒng)誤差為0.2%，含沙量系統(tǒng)誤差允許精度為2%，含沙量系統(tǒng)隨機不確定度為13.2%，含沙量系統(tǒng)隨機不確定度允許精度為18%。從檢驗結果來看，通過相關關系，經(jīng)一點法取樣方法計算出的垂線平均含沙量精度很高，滿足懸移質(zhì)輸沙率測驗規(guī)范規(guī)定的精度要求。從圖3上可以看出含沙量小于40 g/m3時，含沙量數(shù)據(jù)密集分布在關系線附近，此時為汛期的平水期，含沙量變化平緩，沿垂線橫向分布均勻；含沙量大于40 g/m3時，數(shù)據(jù)偏離關系線，為洪水期，受流速影響含沙量變化劇烈，在全部統(tǒng)計的32個測次中有62.5%測次的含沙量相對誤差小于5%，基本滿足資料分析的要求，方法可行。

4.3整編成果的對比分析

利用2種測驗取樣方法建立的關系式，通過傳統(tǒng)垂線三點法經(jīng)全斷面混合所得斷面平均含沙量反算垂線一點法取樣情況下的斷面平均含沙量，2種方法得到的斷面平均含沙量分別進行資料整編計算，選取卡倫山站5年含沙量資料進行分析，結果見表1。從表1中可見，所選連續(xù)5年資料采用三點法取樣得到的斷面平均含沙量經(jīng)整編計算的時段總量，與經(jīng)關系式反算一點法取樣得到的斷面平均含沙量經(jīng)整編計算的時段總量之間相對誤差基本保持在3%左右，基本符合二類精度水文站誤差指標要求（時段總量允許誤差指標見表2），獲得很高的精度。證明懸移質(zhì)輸沙率測驗采用垂線一點法取樣經(jīng)計算處理得到斷面平均含沙量，這種簡化懸移質(zhì)輸沙率測驗方法是可行的。

表1　年含沙量 輸沙率比較

5　結論與建議

1）采用垂線一點法懸移質(zhì)輸沙率測驗，經(jīng)全斷面混合法計算的含沙量根據(jù)相應關系來推求斷面平均含沙量的方法是可行的，簡化了懸移質(zhì)輸沙率測驗方法，保證了資料的精度，可以在今后的測驗中應用。此法能夠大大縮短泥沙測驗內(nèi)外業(yè)時間，能夠做到與ADCP等先進流量測驗設備同步進行外業(yè)工作，提高了水文測驗工作效率。

表2　時段總量允許誤差指標

2）為進一步驗證兩者的關系，在今后的測驗中，可在不同時期、不同沙量級內(nèi)，每年進行10次以上的固定垂線、三點法懸移質(zhì)輸沙率測驗，與一點法進行比測校核。

3）在今后的懸移質(zhì)輸沙率測驗中，應進一步嘗試減少取樣垂線數(shù)和引進現(xiàn)場測沙儀器，做進一步對比分析，做到在保證資料精度的同時減少內(nèi)外業(yè)工作量，從而結合ACDP測流更好地提高工作效率。

［中圖分類號］P332.5

［文獻標識碼］A

［文章編號］1002—0624（2016）07—0060—03

［收稿日期］2016-03-15