部分流量權重系數法推求斷面平均含沙量在黑河中的應用

2016-11-15 11:53:32趙雪芳

甘肅科技 2016年19期

趙雪芳

（甘肅省張掖水文水資源勘測局，甘肅　張掖　734000）

趙雪芳

（甘肅省張掖水文水資源勘測局，甘肅張掖734000）

采用部分流量權重系數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重系數，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輸沙率測驗，減少流量測次，降低成本，為高洪水搶測沙峰提供技術條件。

部分流量權重；系數；斷面平均含沙量

在水文測驗中輸沙率測驗工作是一項非常繁瑣而費時的工作，本報告針對不同類型的測驗斷面試圖探討一種利用部分流量權重法實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，增加斷沙測驗次數，提高斷沙測驗精度。

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；二是洪水測驗中洪峰和沙峰往往會不同時出現，沙峰常提前或者推后于洪峰一定時段才出現。出現這種情況后，從水位流量關系分析角度出發測次完全滿足了定線要求，而從單斷沙關系分析角度出發測次就不能滿足定線要求，流量輸沙率同步實測會造成G-Q關系點群出現“掃帚頭”現象；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過深入分析探索出一種斷面含沙量測驗的有效方法。

1　部分流量權重系數法推求斷面平均含沙量

1.1輸沙率測驗原理

Qs——斷面懸移質輸沙率；

Cs——斷面任意一點的含沙量；

V——斷面任意一點的流速；

B、h——分別表示斷面水深和水面寬。

上式無法用數學方程計算，和流量測驗相似仍需要測驗斷面上布設一定數量的測深、測速、測沙垂線，通過實測各條垂線上測點的水深、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，實際應用如下形式：

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部分流量權重的計算

由（2）式可知：只要能比較準確的推算各測沙垂線間部分流量所占權重，由實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。

經過對不同類型測驗斷面，不同量級洪水過程實測資料分析發現：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重在不同測次當中是比較一致的，采用各測沙垂線間部分流量平均權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重系數來計算斷面平均含沙量。也可借用前一份實測流量部分流量權重系數來直接計算后一份實測斷面平均含沙量。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歷時，能夠較完整的掌握斷面平均含沙量變化過程。

2　實例應用

2.1流域概況

黑河位于東經98°-101°31′，北緯38°-42°之間，是甘肅河西地區最大的內陸河，發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入大峽谷，至鶯落峽出山，設有鶯落峽水文站。經張掖盆地，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重確定

2.2.1人工渠道部分流量權重

隨著水利事業的發展，各條河流均不同程度地受到蓄水灌溉、引水發電等工程措施的制約，分析研究人工渠道輸沙率測驗十分必要，下面以黑河鶯落峽水文站龍電渠為例確定部分流量權重系數見表1。

表1　黑河鶯落峽龍電渠測驗斷面部分流量權重系數計算表

2.2.2無明顯沖淤變化天然河道部分流量權重確定

黑河札馬什克水文站測驗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行部分流量權重計算見表2。

表2　黑河札馬什克站測驗斷面部分流量權重系數計算表

2.3有明顯沖淤變化河道部分流量權重系數確定

黑河鶯落峽站測驗河段基本順直，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坡。斷面呈復式，中高水發生漫灘，主流穩定，Z-Q關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行部分流量權重系數分析計算。見表3。

表3　黑河鶯落峽站測驗斷面部分流量權重系數計算表

2.4利用部分流量權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重法實測斷面平均含沙量的誤差主要是由單次部分流量權重與平均部分流量權重差造成，與起點距定位，水深、測點深位置有關。可用指定某一起點距范圍內部分流量權重在不同輸沙率測次中偏離平均權重的波動圖形直接反映。圖1中點繪了鶯落峽龍電渠起點距0.0～1.0m之間各測次部分流量權重系數偏離平均權重系數的波動圖形。

圖1　鶯落峽龍電渠測驗斷面起點距0～1m部分流量權重系數波動

從中可以看出，所有點居中偏離最大絕對誤差為0.005，相對誤差僅2.7%。

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