城陵磯七里山站邊沙與單沙關(guān)系試驗(yàn)研究

丁紅堯　　曾文錦

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢　430012)

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城陵磯七里山站邊沙與單沙關(guān)系試驗(yàn)研究

丁紅堯曾文錦

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢430012)

摘要：為探求特殊水情下含沙量的測(cè)驗(yàn)方法，簡(jiǎn)化現(xiàn)有泥沙測(cè)驗(yàn)方案，基于城陵磯(七里山)水文站2011年2月～2012年8月共計(jì)248次實(shí)測(cè)邊沙和單沙資料，通過(guò)建立邊沙-單沙相關(guān)關(guān)系，分析其相關(guān)程度，從誤差統(tǒng)計(jì)的角度證明該方法的可行性。結(jié)果表明，邊沙-單沙線性相關(guān)，但擬合效果不佳，需要進(jìn)一步改進(jìn)和探索，但為特殊時(shí)期簡(jiǎn)化單沙測(cè)驗(yàn)提供了繼續(xù)研究的方向，具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：泥沙測(cè)驗(yàn)；單樣含沙量(單沙)； 岸邊含沙量(邊沙) ；相關(guān)關(guān)系

含沙量測(cè)驗(yàn)是水文工作重要內(nèi)容之一，目前還無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)得通過(guò)河流斷面的輸沙率，只能建立斷面含沙量(簡(jiǎn)稱：斷沙)和單樣含沙量(簡(jiǎn)稱：?jiǎn)紊?相關(guān)關(guān)系，并通過(guò)控制單沙過(guò)程，來(lái)推求各時(shí)段的斷面懸移質(zhì)輸沙量[1-2]。該方法能簡(jiǎn)化泥沙測(cè)驗(yàn)工作，工作量較小，因此在我國(guó)大部分水文測(cè)站應(yīng)用較廣[3-4]。然而，在特殊水情或者特殊測(cè)驗(yàn)時(shí)期，比如出現(xiàn)超常規(guī)洪水，測(cè)船無(wú)法出測(cè)、漂浮物多導(dǎo)致無(wú)法測(cè)驗(yàn)等情況下，單沙測(cè)驗(yàn)工作就無(wú)法開(kāi)展。為了控制含沙量的變化過(guò)程，可以考慮在測(cè)驗(yàn)斷面近岸邊穩(wěn)定水流處，施測(cè)岸邊含沙量(簡(jiǎn)稱為邊沙)，通過(guò)邊沙和單沙的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而推求單沙。

本文正是基于邊沙和單沙相關(guān)理論基礎(chǔ)，在洞庭湖出口站——城陵磯(七里山)水文站開(kāi)展試驗(yàn)，取得了2011年2月～2012年8月期間共計(jì)248次實(shí)測(cè)邊沙和單沙的資料，為誤差統(tǒng)計(jì)分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1　城陵磯(七里山)站地理位置

1　測(cè)站概況

城陵磯(七里山)水文站位于洞庭湖出口水道，上游約4 km為東洞庭湖，下游4 km處為長(zhǎng)江荊江與洞庭湖出流匯合口(見(jiàn)圖1)，是洞庭湖出口水沙監(jiān)控站，為國(guó)家一類基本水文站。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目包括水位、水溫、流量、含沙量、懸移質(zhì)顆分、降水、蒸發(fā)、水質(zhì)和水雨情拍報(bào)。

測(cè)驗(yàn)斷面為單式穩(wěn)定河床，沖淤變化不大，含沙量的橫向分布比較均勻，中泓稍大。受洞庭湖調(diào)蓄和三峽水庫(kù)清水下泄的影響，含沙量一般在0.015～0.870 kg/m3變化；年最大含沙量出現(xiàn)在2～5月份。目前，含沙量測(cè)驗(yàn)儀器為橫式采樣器，測(cè)驗(yàn)方法為在起點(diǎn)距480，720 m和960 m處按2∶1∶1垂線混合法施測(cè)單位含沙量，控制含沙量的變化過(guò)程；在起點(diǎn)距180，340，480，600，720，840，960 m和1 080 m處采用垂線混合法施測(cè)斷面含沙量。含沙量整編方法是利用當(dāng)年實(shí)測(cè)單沙、斷沙資料，建立相關(guān)關(guān)系，再利用單沙資料推求斷面平均含沙量。多年資料的分析表明，城陵磯(七里山)水文站單沙-斷沙關(guān)系保持穩(wěn)定，單沙垂線代表性較好，為邊沙-單沙關(guān)系的探討提供了較好的前提條件。

2　邊沙測(cè)驗(yàn)方法與資料處理

2.1邊沙取樣位置及方法

邊沙取樣位置應(yīng)相對(duì)固定，選擇受岸邊環(huán)境及風(fēng)浪影響較小，能夠滿足不同水位級(jí)取樣要求。盡量避免回流、假潮和亂流處，以保證資料的連續(xù)性和可靠性。

經(jīng)綜合對(duì)比，城陵磯(七里山)水文站邊沙取樣位置選在該站測(cè)流斷面右岸，躉船外側(cè)暢流處。取樣儀器為直立式采樣器，取樣位置為水面下0.2 m，單次取樣總?cè)莘e為3 000 mL，要求分3次取樣，每次取樣1 000 mL。單沙和邊沙測(cè)驗(yàn)儀器對(duì)比見(jiàn)圖2。兩種型號(hào)采樣器容積均為1 000 mL/次，屬于瞬時(shí)采樣器。

圖2　橫式采樣器和直立式采樣器對(duì)比

2.2取樣時(shí)期

2011年2月～2012年8月試驗(yàn)期間，在每次開(kāi)展斷面含沙量及單位含沙量測(cè)驗(yàn)的同時(shí)，按固定的水樣容積在邊沙取樣位置采取水樣。為了減少不確定因素和偶然誤差，水樣采取應(yīng)注意如下事項(xiàng)。

(1) 時(shí)間同步。邊沙采樣時(shí)間應(yīng)與單位含沙量采樣時(shí)間盡量保持一致，確保單次成果的質(zhì)量。

(2) 容積固定。水樣采集應(yīng)采用固定容積，以避免因容積不一致造成資料誤差而破壞資料系列的一致性。

(3) 真實(shí)可靠。邊沙取樣時(shí)，應(yīng)避免環(huán)境影響，在遇惡劣天氣和受漂浮物較多影響時(shí)，避免將雜物帶入水樣，保持水樣采集的真實(shí)性。

2.3資料處理

試驗(yàn)沙樣分析方法主要采用沉淀烘干法。資料處理時(shí)，還要遵循以下處理原則。

(1) 沉淀濃縮水樣，必須遵守操作規(guī)程中規(guī)定的沉淀時(shí)間。處理時(shí)，不得抽取出底部泥沙，要確保單次成果質(zhì)量符合要求。

(2) 單沙和邊沙處理日期最好保持一致。

(3) 嚴(yán)格按照懸沙水樣處理方法分析，避免人為誤差。

(4) 在獲取每測(cè)次資料之后，對(duì)比分析相關(guān)關(guān)系，找出誤差較大測(cè)次，持續(xù)改進(jìn)。

試驗(yàn)于2012年8月結(jié)束，共取得不同水位級(jí)、不同沙量級(jí)實(shí)測(cè)邊沙、單沙資料248次。

3　結(jié)果與分析

3.1邊沙與單沙過(guò)程線比較

根據(jù)實(shí)測(cè)邊沙與單沙資料，分別點(diǎn)繪邊沙、單沙與時(shí)間過(guò)程線，見(jiàn)圖3。由過(guò)程線圖可看出，邊沙與單沙變化過(guò)程基本一致，特別是單位含沙量小于0.2 kg/m3時(shí)，兩者擬合良好。隨著含沙量增加，兩者擬合效果下降明顯，且在沙峰附近時(shí)兩者相差最大。

圖3　2011～2012年城陵磯水文站邊沙、單沙過(guò)程線比較

3.2邊沙與單沙相關(guān)性分析

對(duì)實(shí)測(cè)的邊沙與單沙資料進(jìn)行線性關(guān)系擬合，見(jiàn)圖4。邊沙、單沙相關(guān)性系數(shù)為0.727，Cs單=2.104×Cs邊-0.002,分別進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)及計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)誤差為-0.05%，標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度分別為18.76%和37.52%，均大于現(xiàn)行水文資料整編規(guī)定的精度要求。

圖4　城陵磯水文站邊沙-單沙關(guān)系

由圖4可看出，邊沙與單沙關(guān)系點(diǎn)較為散亂，呈輻散狀。在數(shù)值較低處即含沙量較小時(shí)，關(guān)系點(diǎn)距比較密集，測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差較小，隨著測(cè)點(diǎn)含沙量增大，分布稀疏分散，相對(duì)誤差增加明顯。

綜合表明，利用現(xiàn)有試驗(yàn)資料，無(wú)法建立線性單一的邊沙-單沙關(guān)系，但從方法原理和技術(shù)手段上仍有實(shí)現(xiàn)的可能性。在保證資料來(lái)源可靠的前提下，應(yīng)注意改進(jìn)取樣方式，避免在會(huì)產(chǎn)生較大誤差的情況下取樣，采集單沙水樣同時(shí)繼續(xù)收集邊沙資料，盡量做到各個(gè)水位級(jí)和沙量級(jí)內(nèi)測(cè)次分布均勻。

3.3誤差分析

(1) 從資料來(lái)源分析，現(xiàn)有邊沙取樣位置和測(cè)驗(yàn)方法的代表性較差。由于邊沙取樣位置固定在躉船外側(cè)，隨著水位高低變化，躉船位置也會(huì)發(fā)生變化，造成取樣位置不固定。同時(shí)，由于城陵磯(七里山)水文站地處洞庭湖與長(zhǎng)江交匯處，洞庭湖與長(zhǎng)江汛期不完全一致，會(huì)存在水位頂托作用，近岸處流速下降快，對(duì)邊沙變化有一定影響，在大風(fēng)大浪時(shí)其代表性更差。

(2) 從資料本身分析，單沙包括了各級(jí)沙量，邊沙測(cè)點(diǎn)靠近岸邊，沙量相應(yīng)較低，因此，在產(chǎn)生沙峰處兩者差異會(huì)較為明顯；由于水位高低影響含沙量的橫向分布，也會(huì)使兩者關(guān)系發(fā)生變化。

(3) 本文采用線性定線，通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，但擬合精度不高，其原因主要是邊沙、單沙相應(yīng)測(cè)次不能夠完整涵蓋各級(jí)沙量，且分布不夠均勻、代表性較差，同時(shí)，單一線性回歸方法本身也存有局限性等。

4　結(jié)論與展望

4.1改進(jìn)措施

根據(jù)城陵磯(七里山)水文站2011年2月～2012年8月的實(shí)測(cè)資料，建立邊沙-單沙的線性關(guān)系并檢驗(yàn)。分析計(jì)算和論證表明，邊沙-單沙相關(guān)關(guān)系不明顯，因此這一方案暫不可行，但可進(jìn)行如下改進(jìn)[5-6]。

(1) 由于現(xiàn)有邊沙取樣位置易受水位漲落和大風(fēng)大浪影響，建議重新選定取樣位置，以滿足不同水位級(jí)的取樣要求。

(2) 當(dāng)斷面含沙量變化較大時(shí)，可在單沙測(cè)驗(yàn)測(cè)前、測(cè)中、測(cè)后各取一次邊沙，以三者平均值作為對(duì)應(yīng)邊沙值，提高邊沙代表性。

(3) 待采樣器穩(wěn)定后，方可取樣。

(4) 邊沙取樣時(shí)，應(yīng)避免環(huán)境影響，在遇惡劣天氣和受漂浮物較多時(shí)，應(yīng)注意保證水樣采取的真實(shí)性。

(5) 加強(qiáng)測(cè)點(diǎn)布置，并在不同水位級(jí)和沙量級(jí)收集相應(yīng)資料，對(duì)邊沙-單沙關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充、修訂完善和驗(yàn)證分析。

4.2展望

通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析邊沙-單沙相關(guān)關(guān)系，為解決特殊時(shí)期泥沙測(cè)驗(yàn)提供了一種改進(jìn)方向，對(duì)今后深入研究邊沙-單沙關(guān)系以及采取其他簡(jiǎn)化方法獲得單沙具有一定的借鑒意義。

在對(duì)邊沙-單沙關(guān)系進(jìn)行定線時(shí)可不局限于單一線性關(guān)系，應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)驗(yàn)資料進(jìn)行分段定線處理。

在今后的實(shí)際工作中，可以從以下幾個(gè)方面做進(jìn)一步地深入分析、探究：①不同水位級(jí)和沙量級(jí)條件下，邊沙取樣垂線位置的選擇范圍與條件；②邊沙-單沙相關(guān)關(guān)系的建立方法與形式；③邊沙-單沙推算誤差與精度指標(biāo)的確定；④邊沙推算斷沙輾轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)產(chǎn)生的傳遞誤差合理性分析等，從而更加完善特殊水情條件下的河流懸沙測(cè)驗(yàn)方案，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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[6]謝悅波. 水信息技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社, 2009.

(編輯：李慧)

收稿日期：2016-05-15

作者簡(jiǎn)介：丁紅堯，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，技師.

文章編號(hào)：1006-0081(2016)07-0008-03

中圖法分類號(hào)：P332.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A