阜新地區(qū)含沙量測驗精簡方式的探討

孫 穎

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤山 124000)

0 引 言

阜新地區(qū)屬于水土流失較為嚴重的區(qū)域，區(qū)域多年平均含沙量在10kg/m3-150kg/m3之間。河道斷面含沙量測驗主要通過布設(shè)測沙垂線，在各垂線位置采樣分析垂線含沙量，在按照各測沙垂線之間的面積采樣面積包圍法進行斷面平均含沙量的計算[1-2]。按照河道泥沙測驗規(guī)范要求，當(dāng)水面寬度在100m以上，需要布設(shè)10-15條測沙垂線進行斷面含沙量的測驗，這種方式下對于多沙河流測驗任務(wù)要求較高，存在時效性不夠、自動化水平低的局限和問題[3]。近些年來，許多水文測驗工作者從實際出發(fā)，對河道含沙量測驗精簡方式進行了探討，這些研究成果大都得出一個結(jié)論，即為河道斷面平均含沙量高于某一個固定值時，采用測沙垂線精簡方式很難滿足含沙量測驗的精度要求。此外，一些學(xué)者采用OBS-3A濁度儀，通過輔助觀測的方式，來實現(xiàn)河段斷面含沙量的測沙垂線精簡。這種精簡新方式可實現(xiàn)斷面含沙量測驗次數(shù)的精簡，也可實現(xiàn)部分斷面含沙量的自動監(jiān)測[4-6]。為此文章以阜新地區(qū)多沙河流為研究實例，探討借助OBS-3A濁度儀下阜新地區(qū)多沙河流測沙垂線精簡方式，從而提高區(qū)域含沙量測驗的效率。

1 測站概況

韓家杖子水文站位于繞陽河上游，該斷面以上流域內(nèi)包括阜蒙縣的務(wù)歡池鎮(zhèn)、建設(shè)鎮(zhèn)、塔營子鄉(xiāng)、平安地鎮(zhèn)，彰武縣的哈爾套鎮(zhèn)和四堡子鎮(zhèn)部分地區(qū)。流域面積為693 km2。斷面以上河長為42 km，全長240 km，至河口距離為198 km，河道比降2‰左右。流域地理位置為E121°43′20″-122°08′05″，N42°12′05″-42°33′10″。測驗河段順直長約800m，枯水時形成分流，流心不定，洪水時比降大水流急，中水水面寬220m左右，水位達111.6m時左岸跑灘，灘地寬度可達250m，洪水時測驗操作困難，對成果精度有影響。基本水尺斷面上游500m左岸有四道河匯入，洪水時產(chǎn)生橫比降。基本水尺斷面下游700m為彎道，對高水起控制作用。左岸為沙壤土緩坡，右岸為巖石陡坡。河床為細沙組成，洪水時漲沖落淤，沖淤變化較大[7-9]。多年斷面平均含沙量為11.07kg/m3，歷年斷面最大含沙量124kg/m3。2019年本站最大斷面平均含沙量為130kg/m3，本年平均含沙量為27.8kg/m3。

2 精度評價方法

2.1 精簡方法

各采樣點依次位于垂線各測點，在每個垂線監(jiān)測點至少保持80s的觀測時間，保證數(shù)據(jù)采集的時效性和準(zhǔn)確性。從2017年7月至8月下旬，進行對比觀測試驗60次，試驗觀測含沙量在11.5g/m3-14.9g/m3之間，對整個年份韓家杖子水文站斷面含沙量進行基本涵蓋。比測試驗代表性較高，分布較為均勻。

2.2 精度評價指標(biāo)

對比觀測主要是分析精簡組合方式下的含沙量和傳統(tǒng)方式下觀測的斷面實測含沙量之間精度，主要采用系統(tǒng)誤差、隨機不確定度以及標(biāo)準(zhǔn)差三個指標(biāo)作為比測試驗的精度評價指標(biāo)，各指標(biāo)計算方程分別為：

1)系統(tǒng)誤差

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

2)標(biāo)準(zhǔn)差

(2)

3)隨機不確定度

(3)

(4)

3 精簡分析結(jié)果

3.1 測沙垂線布置

在韓家杖子水文站水文站測驗斷面上、中、下各布設(shè)三個觀測斷面，各觀測斷面起點距見表1，并在各觀測斷面同一位置布設(shè)6條測沙垂線，測沙垂線的具體位置見表2。

表1 對比觀測斷面起點距范圍

3.2 測沙垂線精簡組合方式分析

對不同測沙垂線的精簡組合方式下的含沙量進行率定分析，分析精簡前后的含沙量測驗值的相關(guān)系數(shù)，分析結(jié)果如表3所示。

表2 測沙垂線分布情況

表3 測沙垂線精簡組合后的相關(guān)系數(shù)分析

從精簡后的測沙垂線可知，各測沙垂線精簡組合方式下的相關(guān)系數(shù)在0.43-0.59之間，按照相關(guān)系數(shù)的高度組合，選取相關(guān)系數(shù)較高的三種測沙垂線精簡組合方式作為韓家杖子水文站的測沙垂線精簡組合方式，測沙垂線精簡后的方式為S2、S5、S3，按照河道泥沙測驗規(guī)范要求，韓家杖子水文站水面寬度在100m以上，按照寬深比要求，需要布設(shè)8條以上測沙垂線才可滿足泥沙測驗的精度要求，但是通過對比觀測試驗分析，采用3條測沙垂線組合方式下也可滿足一定的含沙量測驗要求，為此選擇三組相關(guān)系數(shù)較高的測沙垂線組合方式作為韓家杖子水文站的測驗方式[10-12]。

3.3 精簡后測驗精度分析

基于上述線性關(guān)系可推算斷面含沙量，結(jié)合實測含沙量進行精度對比分析，檢驗推算的含沙量是否滿足測驗精度要求。對測沙垂線精簡后額推求精度進行評定，評定結(jié)果如表4所示。

表4 韓家杖子水文站各測沙垂線的含沙量比測精度分析結(jié)果

從韓家杖子水文站測沙垂線精簡后的精度評定組合可看出，測沙垂線的符號檢驗精度均可達到合格要求，按照河道泥沙測驗規(guī)范要求，當(dāng)符號檢驗值高于0.3，基本就可達到合格水平。適線檢驗主要檢驗精簡方式下含沙量的變化穩(wěn)定性，從適線檢驗結(jié)果可看出，測沙垂線精簡方式下適線檢驗值均在±2.0范圍呢，適線檢驗值越小，表示穩(wěn)定性越高。從隨機不確定度可看出，各測沙垂線精簡方式下隨機不確定值在2.0左右，滿足河道泥沙測驗規(guī)范要求的隨機不確定在±2.0的要求范圍內(nèi)。從標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)誤差可看出，各測沙垂線精簡方式下的標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)誤差均在±10%以內(nèi)，采用測沙垂線精簡組合方式下的標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)誤差可滿足誤差要求。通過精度分析，采用測沙垂線精簡方式下基本可滿足河道泥沙測驗的要求，但是當(dāng)含沙量高于20km/m3，為控制好沙峰變化，還需要加密觀測次數(shù)，從而提高含沙量的測驗精度[13-15]。

4 結(jié) 論

1)通過精簡組合方式，韓家杖子水文站分別在起點距為30m、60m以及110m布設(shè)三條測沙垂線即可滿足含沙量的測定精度要求，可有效提高測沙時效性；

2)在汛期含沙量高于20kg/m3時，精簡方式下不能有效控制沙峰變化過程，因此需要加密觀測次數(shù)，從而覆蓋整個沙峰的變化過程。