劉運(yùn)珊 ，管運(yùn)彬

（1.南昌大學(xué)，江西 南昌，330031；2.贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心，江西 贛州，341000）

0 引言

為科學(xué)合理地在開(kāi)展水文要素測(cè)驗(yàn)，更好地收集相關(guān)水文資料，水文工作者根據(jù)水文站所處的位置及不同特點(diǎn)，做了大量測(cè)驗(yàn)優(yōu)化分析，如高夏陽(yáng)[1]等人針對(duì)青銅峽水文站做了懸移質(zhì)含沙量測(cè)驗(yàn)的優(yōu)化分析、張燕[2]針對(duì)團(tuán)山子水文站做了流量測(cè)驗(yàn)優(yōu)化分析、匡永清[3]等人對(duì)石門(mén)站做了單沙及單顆取樣位置優(yōu)化分析、張銀濤[4]等人對(duì)洛河長(zhǎng)水水文站做了輸沙率優(yōu)化測(cè)驗(yàn)分析等。

壩上水文站斷面河床由細(xì)沙組成，斷面相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)《江西省贛州城區(qū)水文測(cè)報(bào)中心任務(wù)書(shū)》要求，規(guī)定單樣顆粒級(jí)配分析（以下簡(jiǎn)稱(chēng)單顆）全年總測(cè)次≥50次。一次較大洪水過(guò)程洪峰附近測(cè)次≥1次，漲落水面測(cè)次各≥2次；一般洪水過(guò)程的分析次數(shù)≥1次；平枯水期取樣間隔天數(shù)≤30天。斷面平均顆粒級(jí)配分析（以下簡(jiǎn)稱(chēng)斷顆）全年總測(cè)次≥15次。年最大或次大洪水過(guò)程峰頂≥1次，漲水面≥1次，退水面≥2次。較大洪水過(guò)程不少于1次；平水少沙期全年不少于3次，汛前汛后含沙量大于0.1kg/m3時(shí)各不少于1次。相應(yīng)單顆取樣次數(shù)、方法與儀器、水樣容量等均同輸沙的相應(yīng)單沙。近年來(lái)，森林覆蓋面積的增加，水土流失得到有效治理，以及上、下游陸續(xù)建成投產(chǎn)多個(gè)水利工程使壩上水文站含沙量呈逐年減少趨勢(shì)。鑒于壩上站處于水利樞紐控制區(qū)域內(nèi)，單斷沙關(guān)系穩(wěn)定，按現(xiàn)行測(cè)站任務(wù)書(shū)，職工測(cè)驗(yàn)工作量大，對(duì)該站的顆粒級(jí)配測(cè)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化分析，論證該站顆粒級(jí)配測(cè)驗(yàn)優(yōu)化的可能性及可行性，并制定完善的測(cè)驗(yàn)方案，達(dá)到既滿足相關(guān)規(guī)范要求及資料整編使用要求，又減輕測(cè)驗(yàn)工作量的目的。

1 概述

1.1 水文站基本情況

壩上水文站建于1953年1月，為章水控制站、國(guó)家基本站，流域面積 7 657㎞2，東經(jīng) 114°57′，北緯 25°49′，懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)精度為二類(lèi)站，水文分區(qū)為Ⅰ區(qū)。該站測(cè)驗(yàn)河段順直，測(cè)驗(yàn)條件主要為河槽控制，河床由細(xì)沙組成，受沖淤影響，左、右岸為防洪堤。該站多年斷面平均含沙量為0.082kg/m3；實(shí)測(cè)年最大斷面平均含沙量4.35kg/m3，出現(xiàn)在1969年10月；斷面最小含沙量為0 kg/m3，最早出現(xiàn)在1978年2月。

1.2 站網(wǎng)及水利工程分布情況

壩上水文站以上流域內(nèi)設(shè)有5個(gè)國(guó)家基本水文站，23個(gè)國(guó)家基本雨量站，其他水文（位）站、降雨量站175個(gè)。流域內(nèi)主要建有中小型水庫(kù)170余座，其中油羅口、上猶江、龍?zhí)度笮退畮?kù)，壩上站上游有章江水輪泵站，下游有八境湖攔河壩。

章江水閘位于章江下游贛州市幡龍鎮(zhèn)歐潭，距贛州市6km，壩址以上集水面積7 650km2，占流域面積的98.3%。水閘于1966年10月動(dòng)工興建，1971年基本建成，是一座以提水灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪、航運(yùn)等綜合效益的中型水利工程。承擔(dān)著5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)田灌溉任務(wù)，灌溉面積5萬(wàn)畝。電站裝機(jī)容量23臺(tái)/2 350kW，年供電總量1 200×104kW·h，年通航量3萬(wàn)噸。

章江八境湖攔河壩水閘位于風(fēng)景點(diǎn)八鏡臺(tái)附近西北方向章江河段，距下游章貢兩江匯合口450m。攔河壩控制流域面積7 683km2，多年平均流量200m3/s，相應(yīng)庫(kù)容2 370萬(wàn)m3，電站裝機(jī)容量7 500kW，多年平均發(fā)電量2 500萬(wàn)kW·h。章江八境湖攔河壩水閘工程于2008年由溢流壩頂橡膠壩改為溢流壩翻板閘。橡膠壩工程于 2002年初步建成投入運(yùn)行，電站廠房于2004年底建成投入運(yùn)行。目前，建筑物主要由溢流壩（翻板閘）、河床式廠房、船閘、左右岸非溢流壩等組成。攔河建筑物沿壩軸線按“一”字形布置，砼溢流壩布置在河床中部，船閘布置在原主航道河床右側(cè)，廠房壩段布置在河床左岸灘地處，砼非溢流壩緊靠廠房壩段左側(cè)布置，土壩布置在右岸接頭處。溢流壩堰頂高程94.20m，翻板閘布置在溢流壩堰頂頂部，沿壩軸線方向分為3跨21扇，每跨長(zhǎng)70m，中間設(shè)置1m厚的砼隔墩。

1.3 懸移質(zhì)顆粒級(jí)配分析測(cè)驗(yàn)現(xiàn)狀

壩上水文站顆粒級(jí)配分析1970-1999年采用橫式采樣器采樣，2000-2007年主要采用皮囊式采樣器、部分測(cè)次采用瓶式采樣器采樣，2008年至今采用瓶式采樣器采樣。斷面平均顆粒級(jí)配分析全年布設(shè)測(cè)次15次左右，年最大、次大洪水過(guò)程（峰頂、漲、退水面各不少于1次）；單顆全年測(cè)次60次左右，按照水位變幅和洪水過(guò)程布置測(cè)次，每一次洪水過(guò)程漲、退沙各2次、沙峰附近1次。

顆粒級(jí)配分析方法，1970-2013年采用粒徑計(jì)法分析，2014年至今采用馬爾文MS2000激光粒度分析儀。

1.4 目前資料整編方法

該站目前采用單樣顆粒級(jí)配與斷面平均顆粒級(jí)配關(guān)系曲線法整編[5]。主要工作內(nèi)容有：一是編制實(shí)測(cè)懸移質(zhì)顆粒級(jí)配成果表及實(shí)測(cè)懸移質(zhì)單樣顆粒級(jí)配成果表或懸移質(zhì)斷面平均顆粒級(jí)配成果表；二是繪制單樣顆粒級(jí)配與斷面平均顆粒級(jí)配關(guān)系曲線并進(jìn)行檢驗(yàn)；三是數(shù)據(jù)整理；四是整編月年平均懸移質(zhì)顆粒級(jí)配成果表；五是繪制日、月、年平均懸移質(zhì)顆粒級(jí)配曲線；六是單站合理性檢査；七是編制泥沙顆粒級(jí)配資料整編說(shuō)明表。

2 分析方法

本次分析依據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50159-2015）、《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）、《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL42-2010）及《水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》（中國(guó)水利水電出版社）等規(guī)范，二類(lèi)、三類(lèi)站選用近5～10年資料做分析，其中一年的含沙量變幅占?xì)v年變幅的80%以上。單樣顆粒級(jí)配與斷面平均顆粒級(jí)配分析采樣方法、分析方法一致的資料。

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB/T 50159-2015）8.2.4條規(guī)定，將歷年斷顆與相應(yīng)單顆顆粒級(jí)配分析成果，按小于某粒徑沙重百分?jǐn)?shù)分成若干組，用各組平均值繪成歷年綜合單樣顆粒級(jí)配與斷面平均顆粒級(jí)配關(guān)系線。各年單樣顆粒級(jí)配與斷面平均顆粒級(jí)配關(guān)系曲線線套繪于歷年綜合單樣顆粒級(jí)配及斷面平均顆粒級(jí)配關(guān)系曲線圖上，當(dāng)各年關(guān)系線偏離綜合關(guān)系線的最大值，粗沙部分在±3%以內(nèi)，細(xì)沙部分在±6%以內(nèi)，且斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)的測(cè)次占總測(cè)次的30%以下時(shí)，可實(shí)行間測(cè)或停測(cè)。

3 懸移質(zhì)泥沙顆粒分析

3.1 資料選用

壩上水文站收集有1970-2019年共50年資料系列，其中1970-2013年采用粒徑計(jì)法分析顆分資料，共44年資料系列。本次分析選用顆粒級(jí)配分析方法資料較長(zhǎng)中的2004-2010年7年資料樣本，歷年最大含沙量變幅為1969年4.35kg/m3，樣本年最大含沙量變幅為2005年2.39kg/m3。因近年來(lái)森林覆蓋面積的增加，水土流失得到有效治理，以及上、下游陸續(xù)建設(shè)投產(chǎn)的水利工程等影響，使含沙量呈逐年減小趨勢(shì)，近年趨勢(shì)較穩(wěn)定后查近30年最大含沙量為2.39kg/m3出現(xiàn)于2005年，考慮上述原因，本次分析樣本不再統(tǒng)計(jì)含沙量所占?xì)v年的變幅比重，采用分段統(tǒng)計(jì)所占變幅比重，其中樣本年含2005年。

3.2 歷史資料特征值統(tǒng)計(jì)分析

3.2.1 年最大含沙量趨勢(shì)分析

壩上站于1956年開(kāi)始單位含沙量測(cè)驗(yàn)，共有64年資料系列，根據(jù)系列資料統(tǒng)計(jì)出各年最大單位含沙量值，并繪制年最大含沙量趨勢(shì)圖見(jiàn)圖1。

圖1 年最大單位含沙量趨勢(shì)圖

根據(jù)年最大單位含沙量趨勢(shì)圖發(fā)現(xiàn)，年最大含沙量總體趨勢(shì)在逐年變小，以含沙量1.65kg/m3對(duì)其分割后大致分為3個(gè)過(guò)程系列，即1956-1963、1990-2019低于分割線，1964-1989高于分割線。

3.2.2 顆粒級(jí)配分析資料統(tǒng)計(jì)分析

顆粒級(jí)配分析測(cè)驗(yàn)于1970年4月開(kāi)始，共50年資料系列長(zhǎng)度，根據(jù)站月年平均懸移質(zhì)顆粒級(jí)配表分別統(tǒng)計(jì)出年最大粒徑、年平均粒徑及年中數(shù)粒徑，并繪制年最大粒徑趨勢(shì)見(jiàn)圖2、年平均粒徑趨勢(shì)見(jiàn)圖3、統(tǒng)計(jì)年中數(shù)粒徑趨勢(shì)見(jiàn)圖4，1970年資料不參加以上年統(tǒng)計(jì)。

圖2 年最大粒徑趨勢(shì)圖

圖3 年平均粒徑趨勢(shì)圖

圖4 年中數(shù)粒徑趨勢(shì)圖

在趨勢(shì)圖中可看出年最大粒徑和年平均粒徑呈階段性減小趨勢(shì)，年最大粒徑在1995-2019年間基本穩(wěn)定在0.243～0.962mm之間；年平均粒徑在1995-2019年間較穩(wěn)定在0.015～0.045mm之間，2014年后年平均粒徑有減小趨勢(shì)；年中數(shù)粒徑至2014年后有變小趨勢(shì)，年中數(shù)粒徑總體控制在0.006～0.042mm之間。

3.3 分析計(jì)算

3.3.1 歷年綜合線繪制

將樣本年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)顆粒級(jí)配成果表中小于某粒徑沙重百分?jǐn)?shù)按年分組，計(jì)算各組平均值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各年分組粒徑百分?jǐn)?shù)平均值表 %

用各組平均值繪制歷年綜合單斷顆關(guān)系線見(jiàn)圖5，對(duì)繪制的關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)、適線、偏離數(shù)值檢驗(yàn)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差及不確定度，結(jié)果顯示：標(biāo)準(zhǔn)差為5.1%、不確定度為10.2%、系統(tǒng)誤差為0.0%，根據(jù)以上定線情況查閱《水文資料整編規(guī)范》，符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)均在合理范圍內(nèi)。

圖5 歷年綜合單斷顆關(guān)系線圖

3.3.2 各年單斷顆關(guān)系線套繪于歷年綜合單斷顆關(guān)系曲線計(jì)算偏離值

2004-2010年單斷顆關(guān)系曲線節(jié)點(diǎn)分別為0、50和100，套繪于歷年綜合單斷顆關(guān)系曲線上，根據(jù)2004-2010年單斷顆關(guān)系節(jié)點(diǎn)表同歷年單斷顆關(guān)系線節(jié)點(diǎn)可看出，各年關(guān)系線和歷年線重合，均為45°的直線，各年關(guān)系線與歷年線的偏離值為0。

3.3.3 斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)測(cè)次統(tǒng)計(jì)

從表1中統(tǒng)計(jì)出各年斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)測(cè)次，計(jì)算占總測(cè)次的百分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。

表2 斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)測(cè)次占比統(tǒng)計(jì)表

斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)測(cè)次占全年總測(cè)次中最小占比值為0%，無(wú)超過(guò)斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)測(cè)次占全年總測(cè)次30%的年份。

4 結(jié) 論

近年來(lái)森林覆蓋面積的增加，水土流失得到有效治理，及受水利工程等影響，壩上水文站年最大含沙量總體趨勢(shì)在逐年變小，年最大粒徑和年平均粒徑呈階段性減小趨勢(shì)，年最大粒徑在1995-2019年間基本穩(wěn)定在0.243～0.962mm之間，年平均粒徑在1995-2019年間較穩(wěn)定在0.015～0.045mm之間，2014年后年平均粒徑、年中數(shù)粒徑有變小趨勢(shì)，年中數(shù)粒徑總體控制在0.006～0.042mm 之間。

用各組平均值繪制歷年綜合單斷顆關(guān)系線，各評(píng)定限差均在合理范圍內(nèi)。各年關(guān)系線與歷年線重合，均為45°的直線，各年關(guān)系線與歷年線的偏離值為0。斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)測(cè)次占全年總測(cè)次中最小占比值為0%，無(wú)超過(guò)斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)測(cè)次占全年總測(cè)次30%的年份。

根據(jù)以上分析成果，按照《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB/T 50159-2015）規(guī)定，得到以下優(yōu)化方案：

（1）懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配分析測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目符合停間測(cè)要求，建議停測(cè)。

（2）當(dāng)資料不滿足使用要求或有其他需求時(shí)恢復(fù)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目。