滁河汊河集閘水文站單斷沙關(guān)系分析

李 楊

（滁州水文水資源局,安徽 滁州 239000）

泥沙資料是江河重要的基本水文資料之一,它在流域規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、橋梁設(shè)計(jì)、閘壩設(shè)計(jì)、防洪調(diào)度、水利工程管理運(yùn)行以及流域開展水土保持效益分析和植被侵蝕研究等工作中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,分析某一垂線單樣含沙量與斷面平均含沙量的關(guān)系,確定單斷沙關(guān)系系數(shù),率定該站單斷沙之間關(guān)系,為今后采用單斷沙關(guān)系線法推求斷沙提供可靠依據(jù)。

本文利用汊河集閘站2007年~2021 年共66 份懸移質(zhì)輸沙率實(shí)測(cè)資料,建立歷年綜合單斷沙相關(guān)關(guān)系,并根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[1],對(duì)關(guān)系線進(jìn)行精度判定、符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)及偏離數(shù)值檢驗(yàn)。

1 基本情況

1.1 測(cè)站基本情況

汊河集閘水文站位于安徽省滁州市來安縣汊河鎮(zhèn),是滁河干流安徽出境總控制站,集水面積6104 km2,國(guó)家重要水文站,一類精度水文站。測(cè)驗(yàn)河段為人工開挖的河道,順直長(zhǎng)度1200 m,兩岸均有堤防和灘地,主河槽寬約115 m,河床為粘土。測(cè)流斷面上游685 m處有節(jié)制閘、船閘各一座（船閘改建中）,節(jié)制閘10孔,孔寬9 m,閘底高程3.0 m。測(cè)驗(yàn)斷面下游95 m為G104 國(guó)道滁河大橋,斷面下游5㎞處右岸有朱家山河與長(zhǎng)江連通,10㎞處右岸有馬汊河與長(zhǎng)江連通,下游23.0 km處有滁河三汊灣閘。汊河集閘上游0.50 km處有清流河、來安河匯入,斷面上游29.7 km處有襄河口閘站控制滁河上游來水量。為研究滁河水流特性和泥沙輸移情況搜集水文資料,監(jiān)測(cè)滁河出省境水質(zhì)狀況。

1.2 測(cè)驗(yàn)斷面變化情況

根據(jù)2017年~2021 年實(shí)測(cè)資料分析,斷面無明顯沖淤變化,斷面控制情況良好,能夠滿足水文測(cè)驗(yàn)要求,斷面變化情況見圖1。本站含沙量測(cè)驗(yàn)與流量測(cè)驗(yàn)[2]同時(shí)進(jìn)行,依次在斷面布設(shè)的各測(cè)沙垂線位置,含沙量代表垂線在起點(diǎn)距156 m處。

圖1 汊河集閘站近年斷面變化對(duì)比圖

2 水文要素時(shí)空分布情況

2.1 降雨量時(shí)空分布

根據(jù)汊河集閘站2012 年~2021 年歷年降雨量資料分析,該站多年平均降雨量為1153.7 mm,最大年降雨量1589.4 mm（2016年）,最小年降雨量668.0 mm（2019年）,降雨時(shí)空分布不均,多集中在6月~8 月,此時(shí)段為洪水多發(fā)時(shí)期。汊河集閘站歷年降雨量年際分布見圖2,年內(nèi)分布見圖3。

圖2 汊河集閘站降水量年際變化分布圖

圖3 汊河集閘站年內(nèi)分配圖

2.2 泥沙時(shí)空分布

根據(jù)汊河集閘站2012年~2021 年系列資料統(tǒng)計(jì),多年平均含沙量0.072 kg/m3,最大年均含沙量0.177 kg/m3（2018 年）,最小年均含沙量0.001 kg/m3（2019 年）,含沙量年際變化大,含沙量年際分配不均,多集中在汛期的6月~8月。輸沙量年際、年內(nèi)分配與含沙量相似,多年平均輸沙量11.7 萬t,最大年輸沙量為32.6 萬t,最小年輸沙量為0.047萬t,10月~次年5月期降水量小,流量小,水流挾沙能力弱,輸沙量較小[3]。含沙量、輸沙量年際分布趨勢(shì)見圖4、圖5,年內(nèi)分配見圖6。

圖4 汊河集閘站平均含沙量年際變化趨勢(shì)圖

圖5 汊河集閘站輸沙量年際變化趨勢(shì)圖

圖6 汊河集閘站平均含沙量年內(nèi)分配趨勢(shì)圖

3 單斷沙關(guān)系分析

3.1 資料情況

本次分析選取汊河集閘站2007年~2021年66份實(shí)測(cè)輸沙率資料,資料經(jīng)水文資料整編,代表性好,能滿足率定分析要求見表1。

表1 汊河集閘站實(shí)測(cè)輸沙率資料

3.2 建立相關(guān)關(guān)系

3.2.1 確定單斷沙關(guān)系線型式

根據(jù)表1實(shí)測(cè)輸沙率資料分析,以實(shí)測(cè)單沙為縱坐標(biāo),實(shí)測(cè)斷沙為橫坐標(biāo),關(guān)系測(cè)點(diǎn)分布密集成帶狀,通過坐標(biāo)（0,0）和測(cè)點(diǎn)點(diǎn)群中心,且有75%的以上高沙測(cè)點(diǎn)與相關(guān)曲線的偏離不超過±10%,低沙不超過±15%,滿足單一曲線法定線要求見圖7。

圖7 汊河集閘站單斷沙關(guān)系圖

3.2.2 換算系數(shù)計(jì)算

根據(jù)表1資料,計(jì)算斷沙CS斷和單沙CS單換算系數(shù)K,K=CS斷/CS單,采用算術(shù)平均法計(jì)算得綜合換算系數(shù)K=0.9993。

4 關(guān)系曲線檢驗(yàn)分析

4.1 關(guān)系曲線定線精度判定

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）要求,穩(wěn)定的懸移質(zhì)單斷沙關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度。標(biāo)準(zhǔn)差是用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)離散程度常用的一種量化形式,是檢驗(yàn)精確度重要指標(biāo)之一。一類精度站單一線法定線精度指標(biāo),隨機(jī)不確定度及系統(tǒng)誤差控制在18%±2%范圍內(nèi)。計(jì)算分析標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)定線推流的精度評(píng)價(jià)和改進(jìn)測(cè)驗(yàn)工作具有重要意義。

采用公式：

式中：n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；Cs斷i為實(shí)測(cè)斷沙；Cs斷ci為查線斷沙。

計(jì)算汊河集閘站2007年~2021年單斷沙實(shí)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差為5.39%,置信水平95%的隨機(jī)不確定度2Se為10.78%,偏差很小,符合精度要求。

4.2 符號(hào)檢驗(yàn)

目的：檢驗(yàn)單斷沙關(guān)系曲線兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)分布是否均衡,從而進(jìn)行判定關(guān)系曲線是否合理。

檢驗(yàn)方法：以所有樣本測(cè)點(diǎn)的樣本總量,分別統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)偏離曲線的正、負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)（偏離值為零者,作為正負(fù)號(hào)測(cè)點(diǎn)各半分配）,判定所定關(guān)系曲線是否合理[4]。

采用公式：

式中：為統(tǒng)計(jì)量；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)。

統(tǒng)計(jì)得出：n=66,k=34,計(jì)算統(tǒng)計(jì)量=0.12。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）要求,顯著性水平 采用0.25,臨界值查表2得到對(duì)應(yīng)臨界值1-/2=1.15,當(dāng)計(jì)算 ＜1-/2時(shí),則認(rèn)為合理,即接受檢驗(yàn)。

表2 臨界值1-/2與1-

4.3 適線檢驗(yàn)

原理：進(jìn)行適線檢驗(yàn)時(shí),應(yīng)按測(cè)點(diǎn)單沙由低至高排列順序,從第二點(diǎn)開始統(tǒng)計(jì)偏離正負(fù)符號(hào)變換,變換符號(hào)記1,否則記0。統(tǒng)計(jì)記“1”的次數(shù),計(jì)算統(tǒng)計(jì)量 。

采用公式：

式中：為統(tǒng)計(jì)量；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k為變換符號(hào)次數(shù),k＜0.5·（n-1）時(shí)作檢驗(yàn),否則不作此檢驗(yàn)。

統(tǒng)計(jì)得出：n=66,k=28,計(jì)算統(tǒng)計(jì)量=0.99。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）要求,顯著性水平 采用0.05或0.10,臨界值查表2允許值為1.64。當(dāng)計(jì)算 ＜1-時(shí),則認(rèn)為合理,即通過檢驗(yàn)。

4.4 偏離數(shù)值檢驗(yàn)

目的：偏離數(shù)值檢驗(yàn)是檢查各測(cè)點(diǎn)偏離關(guān)系曲線的平均偏離值,用于驗(yàn)證該關(guān)系線是否合理。

采用公式：

式中：t為統(tǒng)計(jì)量；p為平均相對(duì)偏離值；Sp為p的標(biāo)準(zhǔn)差；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；pi為測(cè)點(diǎn)與關(guān)系曲線的相對(duì)偏差值。

進(jìn)行偏離數(shù)值檢驗(yàn)時(shí),應(yīng)按式（1）、式（2）分別計(jì)算t值、Sp值,并將t值與用給定顯著水平 查表3所得的1-值比較,當(dāng)|t|＜1-時(shí),則認(rèn)為合理,即接受檢驗(yàn)。

表3 臨界值1-/2

計(jì)算得出：n=66,k=65,計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t=0.00。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）要求,顯著性水平 采用0.10或0.20,臨界值查表3 允許值為1.28,通過檢驗(yàn)。

5 結(jié)語

本文分析出該站2007年~2021年平均單斷沙換算系數(shù)k=0.9993,且河床性質(zhì)、斷面形狀穩(wěn)定,所以156 m處單沙的代表性較好,且滿足一類站單斷沙關(guān)系線的比例系數(shù)在0.95 ~1.05 之間的要求[5]。從單斷沙關(guān)系曲線分析結(jié)果可以看出,單斷沙關(guān)系的定線精度、隨機(jī)不確定度、符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)及偏離數(shù)值檢驗(yàn)均通過檢驗(yàn),符合規(guī)范要求。綜上所述,汊河集閘站單斷沙關(guān)系系數(shù)0.9993用于推求斷沙。