竹林關(guān)水文站輸沙率間測分析

張奕華

（陜西省商洛水文局 陜西 商洛 726000）

竹林關(guān)水文站是設(shè)在丹江水系一級支流銀花河上的控制站，控制流域面積951km2，該站設(shè)立于1970年，測驗項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)等項目，主要是為銀花河水資源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

目前，有些項目監(jiān)測已開展了好多年，資料也具有一定的代表性，需要精簡分析，達到減少人力和工作強度，節(jié)省費用開支，利用剩余時間和財力開展新測驗項目，如開展墑情、水質(zhì)等監(jiān)測，與現(xiàn)代社會發(fā)展需求相適應(yīng)。本次主要是對竹林關(guān)水文站斷面輸沙率測驗進行系統(tǒng)分析，找出歷年斷面平均含沙量（斷沙）與相應(yīng)單位含沙量（相單）的相關(guān)關(guān)系，看歷年單、斷沙關(guān)系是否綜合成固定45°線，或一固定線形，是否符合《懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》間測要求，以實現(xiàn)輸沙率間測。

1 竹林關(guān)輸沙率測驗現(xiàn)狀

竹林關(guān)水文站1970年建站，到目前已積累輸沙資料44站年，自建站以來一直開展輸沙率測驗工作，目的是積累該站流域以上通過該站斷面的年輸沙量。

《懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》規(guī)定，每年的輸沙率測次，一類站不少于25次，二、三類站不少于15次，竹林關(guān)水文站屬于二類站，每年測次不應(yīng)少于15次，一般測次主要布設(shè)在流量、含沙量轉(zhuǎn)折變化處。

竹林關(guān)水文站輸沙率測驗方法是在水文測驗斷面，利用水文纜道左右循環(huán)，上下聯(lián)動，根據(jù)沙情特性布設(shè)5條至8條垂線，測驗儀器采用瓶式采樣器，取樣方法用積深法，實測懸移質(zhì)輸沙率；相應(yīng)單沙在起點距100m處，采用固定一線積深法，含沙量變化不大時，分別在施測輸沙率開始和終了同時測取相應(yīng)單位含沙量，平均后作為單位含沙量，含沙量變化較大時，在輸沙率測驗當(dāng)中適當(dāng)增加單沙測次，用平均值作為該次輸沙率的相應(yīng)單位含沙量。

測一條垂線大約5分鐘，那么一次輸沙率測驗就需30分鐘到40分鐘，如果遇到大水洪水停電，采取人工手搖測取就需40分鐘到60分鐘。

沙樣處理：通常采用焙干法。從取樣到烘干，中間需要濃縮3天到5天，還要逐個進行稱重，稱重使用老天平，一個沙樣在稱重中要不斷更換砝碼，到準(zhǔn)確稱出重量大約需要1分鐘到2分鐘，一次輸沙率處理，稱重加上中間環(huán)節(jié)最少需要30分鐘。

輸沙率測驗必須與流量測驗同步進行，因為在計算輸沙率的時候需要有相應(yīng)的流量值，測取斷面流量也需20分鐘到30分鐘。一次輸沙率測驗，從開始到終了大約需要2小時左右。

2 存在問題

按照測驗任務(wù)要求，竹林關(guān)水文站每年的輸沙率測次不能少于15次，而測一次輸沙率需要同時測取斷面流量，測取輸沙率加上測流、稱重、計算大概需要2小時左右，說明測取輸沙率是一次繁重的體力、腦力勞動，費時費力，這種傳統(tǒng)的水文測驗方法與近年來水文事業(yè)的快速發(fā)展和新的水文工作模式已極不適應(yīng)。因而通過分析，按照《河道懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》要求，對達到間測條件的盡快實現(xiàn)間測是一種省時省力的有效途徑，也可以把時間和精力投入到新的監(jiān)測領(lǐng)域，拓寬水文發(fā)展領(lǐng)域，與時俱進更多地開展水文水資源服務(wù)，更好地服務(wù)經(jīng)濟建設(shè)。

3 解決方法

該站已積累泥沙資料44站年，根據(jù)歷年實測懸移質(zhì)單位含沙量與實測懸移質(zhì)斷面含沙量關(guān)系進行綜合分析，找出實測懸移質(zhì)單位含沙量與實測懸移質(zhì)斷面含沙量的綜合相關(guān)關(guān)系（簡稱單斷沙關(guān)系）。在滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》規(guī)定的前提下，開展輸沙率間測。以減少勞動強度，提高測驗工作效率。

4 輸沙率間測分析

4.1 資料選取

根據(jù)資料的一致性、代表性和可靠性分析，本次選用1971年、1972年、1978年～2012年間竹林關(guān)站249次的實測輸沙率資料。

4.2 竹林關(guān)水文站歷年單斷沙測驗情況

竹林關(guān)水文站多年平均輸沙率5.86kg/s，施測輸沙率最多的年份為1980年（28次）。歷年整編采用單斷沙關(guān)系（個別年份測次較少按近似法）推求斷面平均含沙量，歷年關(guān)系為45°直線。建站以來，最大洪水出現(xiàn)時間為1987年6月5日，洪峰流量2800m3/s，為歷史實測最大流量，相應(yīng)水位8.2m，為歷史最高水位。實測輸沙率的最大相應(yīng)單位含沙量為109kg/m3（1980年），最大單位含沙量為111kg/m3（1979年），多年河道沖淤變化不大，泥沙橫向分布基本穩(wěn)定。見圖1。

4.3 分析方法及依據(jù)

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》第7.7.1條規(guī)定，二、三類站當(dāng)有5年～10年以上的資料證明，實測輸沙率的沙量變幅占歷年變幅的70%以上，水位變幅占歷年水位變幅的80%以上時，可按照規(guī)定進行輸沙率間測分析。

4.4 沙幅及水幅計算

圖1 竹林關(guān)大斷面比較圖

圖2 竹林關(guān)站歷年單斷沙綜合關(guān)系線

本次分析選取的竹林關(guān)水文站249次實測輸沙率資料中，實測輸沙率的最大相應(yīng)單位含沙量為109kg/m3（1980年），最小相應(yīng)單位含沙量為0.088kg/m3（1972年），歷年最大單位含沙量為111kg/m3（1979年），最小單位含沙量為0kg/m3，分析資料系列中實測輸沙率的沙量變幅占歷年輸沙率變幅的98.1%。滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》第7.7.1條規(guī)定的實測輸沙率的沙量變幅占歷年變幅的70%以上的要求。

在選取的竹林關(guān)水文站249次實測輸沙率資料中，實測懸移質(zhì)輸沙率最高水位6.2m（1983年），最低水位 2.8m（1985年），實測變幅3.4m。歷史最高水位8.2m（1987年），最低水位 2.73m（2008年），水位變幅5.65m，實測輸沙率的水位變幅占歷年水位變幅的62.0%。低于《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》第7.7.1條規(guī)定的實測輸沙率的水位變幅占歷年水位變幅的80%以上的要求。其原因是1987年6月5日發(fā)生接近100年一遇洪水最高水位（8.2m）時，測驗設(shè)施被水沖毀，對于整個系列資料影響不大，近年對該站基礎(chǔ)設(shè)施進行了改造，測洪能力已提高到百年一遇，需要說明的是當(dāng)水位大于6.2m時，應(yīng)當(dāng)及時恢復(fù)輸沙率測驗，對該分析成果高水部分進行校驗。

4.5 分析歷年單斷沙綜合關(guān)系線

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的水沙幅要求，將歷年懸移質(zhì)輸沙率和相應(yīng)單樣含沙量實測成果，按沙量級分成若干組，用各組平均值繪制歷年綜合單斷沙關(guān)系線，從關(guān)系線圖中可以看出，懸移質(zhì)輸沙率單斷沙綜合關(guān)系（為45°線），見圖2。

4.6 綜合單斷沙關(guān)系線的檢驗

定線精度依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SL247—1999）《水文資料整編規(guī)范》對關(guān)系線進行了符號檢驗、適線檢驗、偏離檢驗，均為合格。其中關(guān)系線系統(tǒng)誤差為-1.0%，小于規(guī)范規(guī)定的±3%；隨機不確定度7.8%，小于規(guī)范規(guī)定的28%。均符合規(guī)范要求。

4.7 各年單斷沙關(guān)系線的比較

選取近幾年實測的懸移質(zhì)輸沙率測點，按年套繪在歷年綜合單斷沙關(guān)系上，分別計算各年單斷沙關(guān)系斜率，斜率在0.9632～1.1183之間，變化不大，從圖2也可以看出，歷年懸移質(zhì)輸沙率單斷沙關(guān)系較好（為45°線）。

5 結(jié)論

《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》第7.7.1條規(guī)定，二、三類站當(dāng)有5年～10年以上的資料證明，實測輸沙率的沙量變幅占歷年變幅的70%以上，水位變幅占歷年水位變幅的80%以上時，各年關(guān)系線偏離綜合線的最大值在±5%以內(nèi)時，可按照規(guī)定進行輸沙率間測。

通過對竹林關(guān)水文站多年實測懸移質(zhì)輸沙率成果中單斷沙關(guān)系線的相關(guān)分析計算，該站滿足：①有5年～10年資料，竹林關(guān)施測44年資料；②沙量變幅占歷年變幅的70%以上，該站沙量變幅98.1%；③對于水位變幅占歷年水位變幅的80%以上，該站變幅62%，因受特大洪水毀壞設(shè)施的影響，現(xiàn)在設(shè)施改善，在水幅大于62%時及時校測；④當(dāng)各年關(guān)系線偏離綜合線的最大值在±5%以內(nèi)時，該站各年關(guān)系線與歷年綜合單斷沙關(guān)系曲線偏離最大值為4.46%，滿足要求。

間測期間只測單樣含沙量，因歷年綜合關(guān)系線為45°線，所以直接采用單位含沙量代替斷面含沙量進行年輸沙量計算。

傳統(tǒng)水文向現(xiàn)代水文的轉(zhuǎn)換，不是一朝一夕就能完成的事情，是需要有水文新儀器、新技術(shù)做依托，水文測驗工作要逐步走向現(xiàn)代化。水文新儀器、新技術(shù)在應(yīng)用過程中又必須用傳統(tǒng)的水文測驗方法來比測驗證其實用性和準(zhǔn)確性，竹林關(guān)水文站的輸沙率間測分析，為該站的傳統(tǒng)水文向現(xiàn)代水文的轉(zhuǎn)換提供了技術(shù)條件。

6 輸沙率間測實施意見和注意問題

（1）間測方案自2014年起實施，輸沙率測驗停5年測1年，也是對本分析成果的檢驗。為與歷年整編保持一致，間測期內(nèi)斷面平均含沙量用單位含沙量代替斷面平均含沙量進行年輸沙量計算。

（2）單位水樣采樣儀器、取樣位置、取樣方法及沙樣的處理方法，必須與歷年保持一致，否則，恢復(fù)輸沙率測驗。

（3）當(dāng)發(fā)生以下任一情況時，立即恢復(fù)輸沙率測驗。①斷面發(fā)生較大沖淤，泥沙橫向分布發(fā)生變化；②水位大于6.2m；③含沙量大于109 kg/m3。陜西水利