趙雪芳

（甘肅省張掖水文水資源勘測局，甘肅　張掖　734000）

部分流量權(quán)重系數(shù)法推求斷面平均含沙量在黑河中的應(yīng)用

趙雪芳

（甘肅省張掖水文水資源勘測局，甘肅張掖734000）

采用部分流量權(quán)重系數(shù)法推求斷面平均含沙量在黑河鶯落峽水文站、札馬什克水文站，其原理源自于部分流量加權(quán)法，采用對測站施測資料分析計算，得到各測線之間部分流量權(quán)重系數(shù)，通過計算可得到斷面平均含沙量，利用此方法能夠快速完成懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)，減少流量測次，降低成本，為高洪水 搶測沙峰提供技術(shù)條件。

部分流量權(quán)重；系數(shù)；斷面平均含沙量

在水文測驗(yàn)中輸沙率測驗(yàn)工作是一項(xiàng)非常繁瑣而費(fèi)時的工作，本報告針對不同類型的測驗(yàn)斷面試圖探討一種利用部分流量權(quán)重法實(shí)測斷面平均含沙量的方法，以便比較完善掌握斷面平均含沙量變化過程，增加斷沙測驗(yàn)次數(shù)，提高斷沙測驗(yàn)精度。

在中常常會遇到這樣的幾種情況：一是水位（流量）變化不大而含沙量變化較大；二是洪水測驗(yàn)中洪峰和沙峰往往會不同時出現(xiàn)，沙峰常提前或者推后于洪峰一定時段才出現(xiàn)。出現(xiàn)這種情況后，從水位流量關(guān)系分析角度出發(fā)測次完全滿足了定線要求，而從單斷沙關(guān)系分析角度出發(fā)測次就不能滿足定線要求，流量輸沙率同步實(shí)測會造成G-Q關(guān)系點(diǎn)群出現(xiàn)“掃帚頭”現(xiàn)象；三是山溪性河流洪水暴漲暴落，洪水歷時較短給流量輸沙工作帶來很大困難，很難完整掌握斷面平均含沙量變化過程，帶著這一些列問題經(jīng)過深入分析探索出一種斷面含沙量測驗(yàn)的有效方法。

1　部分流量權(quán)重系數(shù)法推求斷面平均含沙量

1.1輸沙率測驗(yàn)原理

Qs——斷面懸移質(zhì)輸沙率；

Cs——斷面任意一點(diǎn)的含沙量；

V——斷面任意一點(diǎn)的流速；

B、h——分別表示斷面水深和水面寬。

上式無法用數(shù)學(xué)方程計算，和流量測驗(yàn)相似仍需要測驗(yàn)斷面上布設(shè)一定數(shù)量的測深、測速、測沙垂線，通過實(shí)測各條垂線上測點(diǎn)的水深、流速、含沙量，按有限差形式，將斷面分成有限個部分單元，分別計算部分流量、部分垂線平均含沙量幾部分輸沙率，然后累計計算出斷面輸沙率，因此，實(shí)際應(yīng)用如下形式：

式中Gsi、gi分別為測沙垂線間部分平均含沙量和部分流量。

1.2部分流量權(quán)重的計算

由（2）式可知：只要能比較準(zhǔn)確的推算各測沙垂線間部分流量所占權(quán)重，由實(shí)測各測沙垂線平均含沙量，就能計算出各測沙垂線間的部分平均含沙量，從而得到斷面平均含沙量。

經(jīng)過對不同類型測驗(yàn)斷面，不同量級洪水過程實(shí)測資料分析發(fā)現(xiàn)：人工渠道斷面和無明顯沖淤變化河道，如果測沙垂線固定，各個測沙垂線間部分流量所占權(quán)重在不同測次當(dāng)中是比較一致的，采用各測沙垂線間部分流量平均權(quán)重和各測沙垂線間部分平均含沙量直接計算出斷面平均含沙量，即不需要測流只取垂線平均含沙量就可施測計算出斷面平均含沙量；有明顯沖淤變化河道斷面，如果測沙垂線固定，水面寬相對穩(wěn)定，可將漲水段和落水段分割，分別計算各測沙垂線間部分流量權(quán)重系數(shù)來計算斷面平均含沙量。也可借用前一份實(shí)測流量部分流量權(quán)重系數(shù)來直接計算后一份實(shí)測斷面平均含沙量。此法特別適合于含沙量變化急劇的窄深式河流，這樣可以大大縮短測驗(yàn)歷時，能夠較完整的掌握斷面平均含沙量變化過程。

2　實(shí)例應(yīng)用

2.1流域概況

黑河位于東經(jīng)98°-101°31′，北緯38°-42°之間，是甘肅河西地區(qū)最大的內(nèi)陸河，發(fā)源于青海省祁連山后山，上游地形分布高山，峽谷，荒灘，坡度變化較大，平均海拔3000m以上，上游分東西兩岔，西岔為黑河干流，設(shè)有札馬什克水文站，東岔為八寶河。在青海省黃藏寺交匯后進(jìn)入大峽谷，至鶯落峽出山，設(shè)有鶯落峽水文站。經(jīng)張掖盆地，最后匯入居延海，全長821km，總流域面積128283km2。

2.2人工渠道或無明顯沖淤變化河道部分流量權(quán)重確定

2.2.1人工渠道部分流量權(quán)重

隨著水利事業(yè)的發(fā)展，各條河流均不同程度地受到蓄水灌溉、引水發(fā)電等工程措施的制約，分析研究人工渠道輸沙率測驗(yàn)十分必要，下面以黑河鶯落峽水文站龍電渠為例確定部分流量權(quán)重系數(shù)見表1。

表1　黑河鶯落峽龍電渠測驗(yàn)斷面部分流量權(quán)重系數(shù)計算表

2.2.2無明顯沖淤變化天然河道部分流量權(quán)重確定

黑河札馬什克水文站測驗(yàn)斷面屬天然河道無明顯沖淤變化，斷面控制良好，暢流期水位流量關(guān)系歷年呈單一曲線，河寬30～50m，測深、測速、測沙垂線歷年分布一致。下面選用2003年部分施測輸沙率資料進(jìn)行部分流量權(quán)重計算見表2。

表2　黑河札馬什克站測驗(yàn)斷面部分流量權(quán)重系數(shù)計算表

2.3有明顯沖淤變化河道部分流量權(quán)重系數(shù)確定

黑河鶯落峽站測驗(yàn)河段基本順直，長約400m，上狹下寬，略呈喇叭形，左岸為砂卵石灘，右岸建筑防洪墻和漿砌石護(hù)坡。斷面呈復(fù)式，中高水發(fā)生漫灘，主流穩(wěn)定，Z-Q關(guān)系主要受斷面沖淤變化和洪水漲落影響。表3選取該斷面2003年部分輸沙率資料進(jìn)行部分流量權(quán)重系數(shù)分析計算。見表3。

表3　黑河鶯落峽站測驗(yàn)斷面部分流量權(quán)重系數(shù)計算表

2.4利用部分流量權(quán)重法施測斷面平均含沙量誤差分析

人工渠道和無明顯沖淤變化天然河道部分流量權(quán)重法實(shí)測斷面平均含沙量的誤差主要是由單次部分流量權(quán)重與平均部分流量權(quán)重差造成，與起點(diǎn)距定位，水深、測點(diǎn)深位置有關(guān)?？捎弥付骋黄瘘c(diǎn)距范圍內(nèi)部分流量權(quán)重在不同輸沙率測次中偏離平均權(quán)重的波動圖形直接反映。圖1中點(diǎn)繪了鶯落峽龍電渠起點(diǎn)距0.0～1.0m之間各測次部分流量權(quán)重系數(shù)偏離平均權(quán)重系數(shù)的波動圖形。

圖1　鶯落峽龍電渠測驗(yàn)斷面起點(diǎn)距0～1m部分流量權(quán)重系數(shù)波動

從中可以看出，所有點(diǎn)居中偏離最大絕對誤差為0.005，相對誤差僅2.7%。

表2所列主槽部分起點(diǎn)距 26.0～34.0m、34.0～42.0m、42～50.0m部分流量權(quán)重系數(shù)與各平均流量權(quán)重系數(shù)偏離不大，岸邊起點(diǎn)距0～26.0m、50～左岸，部分流量權(quán)重系數(shù)與相應(yīng)平均權(quán)重系數(shù)存在差別，主要由于岸邊起點(diǎn)距估讀、水深測量、流速儀測點(diǎn)位置等要素綜合測驗(yàn)誤差造成，總體來看岸邊部分所占權(quán)重較小，對斷面平均含沙量計算的影響也相應(yīng)較小。

圖2　鶯落峽大河測驗(yàn)斷面起點(diǎn)距10-20m部分流量權(quán)重系數(shù)波動

圖2點(diǎn)繪了有明顯沖淤變化河道代表斷面鶯落峽站河道斷面起點(diǎn)距10.0～20.0m部分流量權(quán)重系數(shù)波動圖。從圖中可以看出：各輸沙率測次的部分流量權(quán)重系數(shù)都集中分布于部分流量平均權(quán)重系數(shù)代替計算能夠滿足輸沙率測驗(yàn)精度要求。

3　結(jié)論

采用部分流量權(quán)重系數(shù)法推算斷面平均含沙量作為懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)的方法，其理論原理充分、分析精度較高，在高水和大含沙量使用的精度更高，效果更好，為高洪水時搶測沙峰提供技術(shù)條件。

1）對無沖淤變化的人工斷面和無明顯沖淤變化天然河道，年內(nèi)或多年測深、測速、測沙垂線布設(shè)一致的情況下可直接借用平均部分流量權(quán)重系數(shù)計算斷面平均含沙量。

2）對有明顯沖淤影響的斷面，可直接借用平均部分流量權(quán)重系數(shù)計算斷面平均含沙量，也可在沖淤變化前后分別借用相鄰流量、輸沙率部分流量權(quán)重系數(shù)計算斷面平均含沙量。

3）因常規(guī)輸沙率測驗(yàn)必需施測流量，本法的應(yīng)用涉及到流量輸沙率測次編號、記錄、計算格式等問題，需對輸沙率測驗(yàn)規(guī)范做進(jìn)一步補(bǔ)充修正。

［1］ 張留柱，趙志貢，張法中，等.水文測驗(yàn)學(xué)［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003.123-155.

［2］ SL247-2012，水文資料整編規(guī)范［S］.

［3］ GB50179-93，河流流量測驗(yàn)規(guī)范［S］.

P333.4