黄河吴堡水文站泥沙测验方法研究

董福新，赵 梅，宋 婧，李钦隆

（黄委会中游水文水资源局,山西 晋中 030600）

1 悬移质输沙率含沙量测验分析

1.1 测验情况

1951—1955年，按当时规定只在断面内布设3～5条垂线取样，近似代表断沙。从1956年开始，按规定要求分别施测悬移质输沙率和单样含沙量，建立单断沙关系曲线推求断沙。取样仪器从1951年恢复观测以后，历年均采用横式采样器取样。输沙率测验，中低水以积点法为主，高水一般用0.5一点法或定比混合法。单样含沙量除大洪水在水边取样外，一般均在主流边固定垂线0.5一点法取样。

1.2 含沙量的横向分布及单样取样位置的分析

进行含沙量横向分布的分析，不仅可以合理地确定测沙垂线数目及垂线布置的位置，还可验证目前单样取样位置的代表性，进而保证悬移质泥沙测验的质量。

这次分析引用1988—1992年不同水沙条件下30次实测输沙率成果。把计算的垂线平均含沙量与断面平均含沙量的比值Csm/Cs，作为含沙量横向分布的一个特征，从中可以发现：

1）含沙量愈小，在断面上的分布愈不均匀，含沙量愈大愈趋均匀，在中高含沙水流时含沙量的横向分布相对较均匀。即当含沙量小于20 kg/m3时，Csm/Cs的变幅为0.60～1.50，含沙量在20～200 kg/m3时，Csm/Cs的变幅一般 0.80～1.15，当含沙量在200 kg/m3以上时，Csm/Cs的变幅一般为0.95～1.05。由此可以得出，输沙率测验垂线数目可随含沙量的大小而确定，当含沙量较小时可适当增加取样垂线数目，当含沙量较大时可适当减少取样垂线数目。

2）除断面平均含沙量小于30 kg/m3的测次外，Csm/Cs的比值在起点距330 m，380 m处接近于1，且各次横向分布曲线相当集中，是布设单沙取样垂线的较好位置。

现对330 m，380 m处分别作为单样取样位置进行误差定量分析。分别建立单断沙关系。发现单断沙关系点均密集成一带状，通过点群中心可各定一接近45°直线，且有100%的测点在±10%的相对误差内。然后分别进行误差统计计算，经统计，起点距330 m处的相对标准差为3.2%。380 m处的相对标准差为3.5%。根据规范中单样取样位置的分析规定，一类站相对标准差不应大于7%。因此吴堡（二）站330 m处和380 m处，均可分别作为单样取样位置。

1.3 含沙量的垂直分布

对1981—1992年仅有的6次精测法试验资料进行分析。从全沙样相对水深与测点相对含沙量Csi/Csm的垂直分布和不同粒经含沙量的垂直分布来看：

1）含沙量的垂线分布基本呈反s形状，即上小下大的曲线形状。

2）含沙量的变化梯度还随含沙量的大小和颗粒粗细的不同而不同，从中还可以看出：含沙量愈小，变化梯度愈大，含沙量愈大，梯度变化愈小，垂直分布愈均匀，Csi/Csm的比值愈接近于1。颗粒越粗，梯度变化越大。细颗粒泥沙其梯度变化很小。

3）无论含沙量大小，相对位置0.6处的Csi/Csm值较接近于1。说明相对水深0.6处的含沙量可近似代表垂线平均含沙量。

1.4 单断沙关系分析

点绘1974—1992年综合单、断沙关系图。关系点密集成一带状，通过点群中心可定45°关系线，且有95%以上的测点在相对误差±10%以内。含沙量小于100 kg/m3时，关系点多数偏于45°线上侧，点群密集，通过点群重心可定一单沙等于1.03断沙的平均关系线，且有94%以上的测点在相对误差±10%以内。通过上述单断沙关系的分析，说明该站含沙量大于100 kg/m3时，单沙代替断沙具有较好的稳定性和代表性。当含沙量小于100 kg/m3时，单沙略偏大于断沙。仍可按常规法用斜率系数予以资料整编。

1.5 输沙率测验简化分析

根据该站1981—1987年30条垂线的五点法试验资料，改用三点法,二点法、0.6一点法，0.5一点法（根据垂线分布图中内插），定比混合法（2∶1∶1和1∶1等权混合法两种）。分别进行垂线平均含沙量计算，与原五点法计算数值相比较，统计其误差，可以发现：

1）相对标准差和 75%频率误差，三点法，2∶1∶1，1∶1，二点法均未超过 5%，三点法，2∶1∶1 法为最小。二点法，1∶1法精度也较高，唯0.6一点法和0.5一点法误差较大。相对误差大于5%的测次所占百分数也是三点法及 2∶1∶1 法最小，1∶1 和二点法次之，0.6和0.5一点法比较大。这说明三点法，2∶1∶1法，1∶1法二点法的代表性比0.6，0.5一点法好。

2）各种取样方法的平均系统误差均在－2.2～2.1范围内，2∶1∶1 法，0.5 一点法，二点法系统偏小，0.6一点法，1∶1混合法是系统偏大，三点法几乎没有系统误差为最好。

根据以上资料的分析验证，除0.6一点法，0.5一点法稍超出了规定允许的范围外，其它取样方法的误差基本在规定的允许误差范围内，这说明三点法，2∶1∶1 法，二点法，1∶1 法是符合客观实际的。均可作为一般常规的取样方法。

全断面混合法输沙率测验也是一种比较简便的测验方法。可该法在该站是否可行，曾对此法的方法原理进行了分析论证，引用该站实测资料对等流中线法的具体途径作了分析，对分析成果进行了误差验算，验算引用1989—1991年的实测输沙率资料，通过一系列的分析统计其主要综合技术指标均符合规范要求。

吴堡站实测输沙率资料的单断沙关系良好，推求的全断面混合法单断沙关系仍然良好，线型和斜率都和原关系线相同。通过上述分析论证，认为该站采用全断面混合法输沙率测验是可行的，也可作为经常性的测验方法。

2 结论与建议

1）断面输沙率测验，从目前的资料来看，有相当一部分资料均系一点法施测，根据前面的分析论证，0.6或0.5一点法的测验法，误差均超出了规定的允许误差范围。在今后的工作中，为了提高输沙率测验和颗粒级配分析精度，尽量不采用一点法施测，由于现用取样工具和设施条件限制，虽多点法精度较高。但客观上不可能经常使用，一般情况下，应尽量采用三点法其次采用2∶1∶1或二点法施测。洪水时，为了缩短测验历时，还可采用全断面等流中线混合法施测。

2）单样含沙量的测验和颗分取样。通过前面的分析，采用一点法取样是不符合新泥沙规范要求，在今后的工作中，单样含沙量的测验和颗分取样一定要严格按照新规范的要求执行。

3）单样含沙量取样位置，经分析论证，可以在断面起点距330 m处或起点距380 m处取样，此两处的含沙量均能近似代表断面平均含沙量。

4）泥沙测验仪器是直接影响测验精度的一个重要因素，目前该站一直沿用横式采样器取样，但所取沙样是瞬时的，易受泥沙脉动影响，若条件许可时，应尽快改进和更新测验仪器，这是提高测验成果质量的有效保证。