洞庭湖区悬移质输沙率与流量异步测验探讨

涂 盟，邹 舟，曾宪虎，高建明，黄长红

（长江中游水文水资源勘测局，武汉 430012）

1 引 言

河流泥沙测验是水文测验主要项目之一，泛指流域和水体中泥沙随水流运动的形式、数量及其演变过程的观察和测量，主要包括悬移质输沙率、推移质输沙率、河床质测定以及泥沙颗粒级配的分析。根据现在相关技术规定，各河流控制断面悬移质输沙率测验必须与流量测验同步进行，以求得断面平均含沙量。虽然我局目前含沙量测验有多种方法，但是由于各测站没有在线间测仪器，测次只能根据经验进行布置，特别是在抢测沙峰时期，导致流量测次明显偏多，生产成本增加。在保证泥沙测验与资料整编满足《河流悬移质泥沙测验规范》与《水文资料整编规范》规定的精度前提下，开展悬移质输沙率与流量异步测验分析，优化流量测次，节约生产成本是可能的。下面以洞庭湖区南县（罗文窖）站所收集的多年悬移质输沙率资料为依据，对河流悬移质输沙率与流量异步测验进行分析。

2 南县（罗文窖）站和测验河段及附近河流概况

南县（罗文窖）站位于洞庭湖区藕池河（北支），于1947年设立，经过1955年、1980年、1987年3次迁移后，最后改名为南县（罗文窖）站。

南县（罗文窖）站虽然为常年观测站，正常年份5月底通流，10月底断流。2009年以前流量按连时序法布置测次。在长江水文大力提倡水文测验方式方法技术创新精神指导下，2008年洞勘队组织人员对该站流量进行了单值化分析，其分析方案经上级技术部门审批后，于2009年投产。

南县（罗文窖）站是控制藕池河（北支）的水、沙进入东洞庭的国家基本水文站，属二类流量、泥沙精度站。藕池河全长约91km，自江波渡以下分为两支，在本站上游约1km处九斤麻汇合，在南县城关下游1km的鱼尾洲，又分中、北二支，中支注入南洞庭湖，1978年堵死，1983年人工决坝，此后汛期又恢复通流。2000年冬，再次修筑沱江大堤将中支沱江入口堵死，并修筑引水涵闸（上坝），使得藕池河（北支）水、沙不经过藕池河（中支）而直接输入东洞庭。2001年冬，藕池河（北支）进行河道整治及堤防护岸，原断面右岸上游350m处一伸向河心的矶头被削去。低水时期基本水尺断面流向不再呈S型，测验河段顺直，测流断面在基本水尺断面下游215m，河床由细砂组成，断面有一定冲淤变化。南县（罗文窖）水文站位置如图1所示。

图1 南县（罗文窖）水文站位置示意图

本分析根据《河流悬移质泥沙测验规范》第3.1.1条规定：采用不同悬移质输沙率测验方法测定断面平均含沙量，均必须符合部份流量加权原理和精度要求。

3 分析目的

南县（罗文窖）站驻守地距测验断面有3km左右，正常情况下从驻守地开船出发完成一次测验过程回到驻守地所需时间3h左右，遇到特殊水情（漂浮物多、流速大）时，时长达4h。该站测验断面水位涨落变化频繁，水、沙变化不同步的时段增多。悬移质输沙率与流量同步施测，势必会造成测验历时过长，测验工作量增加，断面平均含沙量变化过程不易抓到，降低了单次悬移质输沙率测验精度，是存在的问题之一；其二、该站从2009年开始流量按单一线布置测次，仅从流量测次布置情况来看，通流期内布测20个测点就能满足整编定线要求，但每年由于抢测沙峰，至少要多测流量20多次，增加测验成本；其三、将来要采用ADCP进行横渡法测流，实际上已经造成了流量和悬移质输沙率测验的不同步。因此，悬移质输沙率和流量异步施测，可以大大缩短测验历时，减少外业测验工作量，提高单次输沙测验成果的代表性，尤其是在抢测沙峰期间，可以提高单次输沙测验成果精度，同时还为流量和含沙量快速监测等新仪器的使用做好相关技术准备。在控制测验方式能达到成果精度要求的前提下，改变测验方式方法提高测验精度是水文现代化建设的需要，也是水文测验技术发展的必然趋势。

4 悬移质输沙率测验情况

南县（罗文窖）站悬移质输沙率测验常规测验是在测流断面起点距70m、100m、130m、160m、190m、220m、250m、280m、315m等9条固定线上进行，根据水位变化情况，其中5～9条固定线按垂线混合法取样，并同时施测垂线平均流速，采用流量加权法计算输沙率求断面平均含沙量。该站单断沙关系较好，而且比较稳定。

5 资料的选用

本次分析选用2008～2010年的实测悬移质输沙率资料。

在测验断面较稳定、河床冲淤变化不大，垂线平均流速横向分布曲线在各水位级基本一致，悬沙测验垂线位置保持固定的情况下，则以取样垂线分界的各部分流量占单次总流量的权重系数在各水位级、各测次应当是基本一致的，然而这样的情形在天然河道极其少见。南县（罗文窖）站测验断面河床为细沙组成，河床为梯形断面，河道有一定冲淤变化。水位～流量关系主要受洪水涨落影响和回水顶托影响，悬移质输沙根据水位变化情况，采用5～9条固定垂线进行测验。选用该站2008～2010年共61次悬移质输沙率及流量测验资料（因为三峡运行后对洞庭湖洪水有显著的调控作用，近几年南县（罗文窖）水位在35.00m以上时间不长，且只有3次悬移质输沙率测验资料，为保证分析成果可靠性，所以本次分析只统计水位在35.00m以下的情况），分别计算各测次相邻取样垂线间的部分流量占该测次总流量的权重系数。

通过对计算结果进行分析，单次流量各部分权重系数，与流量测验时的起点距定位、断面冲淤变化、水深和垂线平均流速的测量精度有关。因此相同取样垂线数各测次相同取样垂线间的部分流量权重系数不稳定，系数随水位级不同而变化，根据断面输沙率和平均含沙量的计算公式所知，利用部分流量权重系数法推算断面平均含沙量的误差大小主要与部分流量权重系数的精度有关。通过对该站近3年实测悬移质输沙率取样垂线一致实测资料进行分组，再计算各组相同垂线间流量权重均值，作为该组垂线间部份流量权重系数，其结果见表1。

表1 南县（罗文窖）站悬移质输沙率测验垂线间部分流量权重系数表

6 平均含沙量测验精度评估

根据表1不同取样垂线组分析出的流量权重系数成果，利用南县（罗文窖）站2006～2010年实测年份的110次悬移质输沙率测验资料，分别采用该组取样垂线一致相同取样垂线间流量权重系数推算断面平均含沙量，并与实测的断面平均含沙量进行误差分析计算，结果见表2。

表2 南县（罗文窖）站悬移质输沙异步测验推算断面含沙量成果误差统计表

从表2误差统计数据可以看出，推算的断面平均含沙量值与实测值误差较小，其系统误差、标准差、随机不确定度均在规范规定的允许范围内，而且各年相对误差在±3%以内的测次均达到90%以上，最大绝对误差为0.009kg／m3，没有参与垂线间流量权重系数分析的2006、2007年所推算断面平均含沙量，最大相对误差为－3.03，绝对误差为0.009，相对误差小于3%的频率达到97%。可见，采用部分流量权重系数法所推算断面平均含沙量的测验精度较高。

7 结 论

用部分流量权重系数法推算断面平均含沙量，其理论原理充分，在南县（罗文窖）站运用测验精度较高，作为南县（罗文窖）站悬移质输沙率测验方法的一种补充，在水沙变化不同步、断面含沙量变化急剧时可以有效地增加悬移质输沙率测次，更好地抓测含沙量变化过程，提高悬移质输沙率测验精度，同时为ADCP投产后的悬移质输沙率测验找到了一种新的方法。本次分析悬移输沙率与流量异步测验方案可以投产使用。但由于受上游水电工程的影响，洞庭湖区水沙特性有可能发生变化，在日常测验工作中每年要根据沙量级，适时用实测悬移质输沙率测验资料对该方案的测验精度进行验证，如发现有变化趋势，应及时重新分析，确定各悬沙取样垂线间部分流量权重系数，以保证水文资料成果精度。

［1］SL195－97，水文巡测规范［S］.

［2］SL247－1999，水文资料整编规范［S］.

［3］GB50159－92，河流悬移质泥沙测验规范［S］.