潛山水文站單、斷沙關系分析

張丹萍

(安慶水文水資源局,安徽 潛山 246300)

潛山水文站屬長江流域皖河水系,是省級重要水文站、二類精度水文站。測驗斷面為寬淺沙質河床,局部沖淤不定,低水時期無固定河槽,兩岸沙質圩堤,基本斷面上游7400 m有五豐河攔河堰一座,4060 m陸公攔河堰一座,下游770 m利民攔河堰一座,這三座攔河堰均為橡膠壩,正常情況下低水攔蓄,高水放行。本站纜道斷面全年約300 d淹沒,水深平均約為3 m,低流速。中低水水位流量關系紊亂,高水時的水位流量關系主要受洪水漲落的影響,輸沙主要集中在汛期,在高洪期間河水呈渾濁的高含沙黃色水體。沙峰與洪峰的峰型相似,同步或稍滯后于洪峰。測次主要分布在洪水期且均勻分布在含沙量的變幅內,但近幾年由于上游水利工程影響含沙量明顯減小。

1 輸沙率測驗方法

懸移質泥沙采樣主要依賴于現場取樣,后經實驗室處理計算出含沙量,采樣器為橫式采樣器。輸沙率采樣與流量測驗同步進行,根椐測驗斷面特性用選點法布設7條采樣垂線(見圖1),取樣方法為“水邊一線水面一點”,沙樣處理采用過濾法。相應單樣采用固定一線二點混合法,兩點位置固定在起點距64 m和244 m處。通過過濾法得到各測點含沙量c(kg/m3),通過對斷面各點含沙量和所代表的流量區域計算部分輸沙率,繼而統計出全斷面的輸沙率Qs,由公式S=QS/Q計算斷面平均含沙量。輸沙率測驗費時費力,因此懸移質輸沙率與相應單沙測驗按含沙量變幅合理布置測次,一般每年不少于5次,以滿足單斷沙關系線的驗證。單沙測驗相對簡單,嚴格執行泥沙測驗規范有關要求,以控制含沙量變化過程,以推算逐日平均含沙量、輸沙率及特征值為原則。在平水期沙量變化不大時,10 d取樣1次。洪水期含沙量變化大時,每場洪水過程取樣5～7次。

圖1 采樣垂線分布

2 分析單、斷沙關系

2.1 選取資料及分析依據

單斷沙的測驗、計算及分析主要依據《河流懸移質泥沙測驗規范》(GB/T 50159-2015)要求進行[1]。資料選取2015—2022年具有代表性的50次實測懸移質輸沙率成果分析單斷沙關系,資料均選自于整編刊印成果,具有一定的權威性及代表性。實測懸移質輸沙率資料見表1。

表1 2015—2022年單斷沙數據

2.2 用兩種不同方法進行分析

現將2015—2022年50次實測懸移質輸沙率成果按照回歸分析法、最小二乘法原理兩種不同方法進行分析[2]。

2.2.1 相關分析法分析

根據《河流懸移質泥沙測驗規范》(GB/T 50159-2015)要求,將50次實測懸移質輸沙率資料繪制出歷年綜合單、斷沙關系綜合線相關圖(圖2)。可以看出,歷年單、斷沙關系線為一條直線,因此采用一元線性回歸法進行計算,計算出歷年綜合單、斷沙關系換算系數為0.9918。分析結果顯示,相關系數R2=0.9976,說明此次分析的關系線中單沙與斷沙的相關性較好。

圖2 歷年單斷沙關系綜合線

2.2.2 線性回歸法檢驗

經線性回歸檢驗(圖3),r2判定系數為0.9976,表明單斷沙回歸模型完全可以解釋變異的99.77%的情況,模型擬合效果很好,統計量F為21 139.879,Significance F?0.05,說明95%置信水平下自變量對因變量的影響顯著,單沙在模型中有效,根據殘差圖(圖4)分析得出,殘差值不帶任何系統趨勢且隨機均勻分布在0界限上下,初步判定其方差齊性,由此可知,回歸模型擬合效果良好,單沙數據可以較完全地解釋斷沙的變異,換算系數為0.9918。

圖3 線性回歸檢驗成果

圖4 殘差圖

2.2.3 用最小二乘法原理進行檢驗

結合《南方片資料整編軟件》含沙量計算基于最小二乘法原理編程,將2015—2022年50份輸沙率數據錄入整編軟件中進行定線精度計算及三項檢驗。

2.2.3.1 曲線定線精度檢驗

依照《水文資料整編規范》(SLT 247-2020)要求[3],穩定的懸移質單、斷沙關系曲線的標準差計算按照公式(1),隨機不確定度計算按照公式(2),此水文站為二類精度站,其單、斷沙關系為單一線,故單、斷沙關系線定線精度應符合二類精度的水文站中單一線法的定線精度指標,隨機不確定度應控制在20%內,系統誤差應控制在3%范圍內。標準差是反映一組數據離散程度的重要指標,對定線精度評價有重要意義。

(1)

(2)

式中,n為測點總數,Cs斷i為實測斷沙,Cs斷ci為查線斷沙。

根據以上公式計算得出2015—2022年50次單、斷沙實測點的標準差為Se=3.6 %,置信水平95%的隨機不確定度2Se為7.2%≤20%,偏差很小,高于規范規定的精度要求。

系統誤差為-0.50%≤±3%,達到了規范規定的精度要求。

2.2.3.2 關系曲線檢驗計算

結合水文資料整編軟件南方片2.0對50份輸沙率資料進行整編得到結果如圖5,可以看出,三項檢驗結果都合格。

圖5 單斷沙關系檢驗計算結果

三項檢驗的最終成果為：

符號檢驗：n=50,K=24(K為正號個數),u=0.14<1.15,認為合理,符號檢驗通過。證明單斷沙關系曲線兩側的測點分布均衡,進而判定關系曲線合理。

適線檢驗：n=50,符號變換次數k=27,k>0.5(n-1)。適線檢驗是對實測點與曲線間正負偏離值排列情況的檢驗,本次計算中k>0.5(n-1),故可以不做檢驗。

偏離數值檢驗：n=50,平均相對偏離值ΔP=0.52%,ΔP的標準差Sp=0.50,|t|=1.04<1.67,偏離數值檢驗通過。偏離數值檢驗是檢查實測點與曲線間的平均偏離值是否在合理范圍內。該檢驗通過,則進一步判定該曲線定線合理。

從以上對單、斷沙關系曲線進行的三項檢驗結果可以看出,單、斷沙關系線均高于規范要求的定線精度,認為本次定線正確。

3 結論

通過多種方法對潛山水文站2015—2022年50份輸沙資料進行分析,計算出8年來單、斷沙關系呈良好、穩定的單一直線,換算系數為0.9918。利用相關分析法分析并對關系曲線進行檢驗得出,結合歷年懸移質輸沙率資料繪出的單斷沙關系曲線均符合規范要求且關系良好,比較穩定。而懸移質輸沙率測驗費時費力,單沙測驗相對簡單,分析出良好的、比較穩定的換算系數可減輕工作量,在一定程度上解放人力,大大縮短搶測流量的時間。可用良好的、穩定的、合理的關系線系數結合本站單斷沙關系單一折線由單沙推求斷沙,完成懸移質輸沙率資料整編任務。