受水利工程影响的单沙取样位置优化方案

石明波 叶德旭 张 祎 黄忠新

(长江水利委员会长江三峡水文水资源勘测局，湖北宜昌 443000)

随着长江三峡水利枢纽的兴建和运行，河流在天然状态下来水、来沙等方面均发生重大变化，特别是三峡和葛洲坝水利枢纽的联合调度增大了水沙的调节力度，造成断面含沙量变化较大，而沙峰持续时间短，即而出现时间较洪峰时间滞后、水文测验的时机不易把握，测验成本和劳动强度也相应增加等问题。本文就三峡河段的庙河、黄陵庙和宜昌3个水文站单样含沙量的取样位置进行优化分析，以达到合理布置测次、较好地控制泥沙过程、减轻测站职工劳动强度以及节约水文生产成本的目的。

1 测站概况及取样方法

(1)庙河水文站位于湖北省宜昌市三峡库区，集水面积约100.27万km2，处于长江上游干流下段，测验断面在三峡大坝上游约12.6km，是三峡工程专用水文站，应采用巡测方式进行测验。单样含沙量的取样方法为断面起点距170、350、470 m，即在每条垂线相对位置 0.2、0.6、0.8处按 1∶1∶1 垂线混合法取样，单样含沙量则采用算术平均法计算。

(2)黄陵庙水文站位于湖北省宜昌市乐天溪镇下岸溪村，集水面积为约 100.28万km2，也处于长江上游干流下段，测验断面在三峡大坝和葛洲坝之间，上距三峡大坝12km、下距葛洲坝26km，是国家一类基本水文站。单样含沙量的取样方法为断面起点距230、310、390 m，即在每条垂线相对位置0.2、0.6、0.8处按2∶1∶1 垂线混合法取样，单样含沙量同样采用算术平均法计算。

(3)宜昌水文站位于湖北省宜昌市滨江公园，集水面积约 100.56万km2，处于长江中游干流上段，测验断面在葛洲坝下游约6km，是国家一类基本水文站。单样含沙量的取样方法为断面起点距310、550、700 m，即在每条垂线相对位置0.2、0.6、0.8处按2∶1∶1垂线混合法取样，单样含沙量采用部分流量加权法计算。

2 取样位置的确定

根据《河流悬移质泥沙测验规范》第7.6.2条规定［1］:断面比较稳定、主流摆动不大的站，应选择能代表各级水位、各级含沙量的输沙率资料，绘制垂线平均含沙量与断面平均含沙量的比值(Csm/¯Cs)横向分布图，在图上选择Csm/¯Cs值最为集中，且等于1处，确定一条或两条垂线，作为单样取样位置。根据该规定，绘制了上述3个水文站2004～2007年断面上各条垂线平均含沙量与断面平均含沙量比值(Csm/¯Cs)的横向分布图，结果显示，3个水文站除左岸或右岸3、4条垂线偏离比例系数1的次数较多外，中间其余各条垂线比例系数在0.900～1.100的频数均达70.0%以上，较集中。

根据《河流悬移质泥沙测验规范》第4.4.2条规定［1］:单样含沙量测验的垂线取样方法，应与输沙率测验的垂线取样方法一致，其中一类站的单样含沙量测验，不得采用一点法。依据上述单沙测验位置选择要求和对Csm/¯Cs横向分布图的分析，3个水文站各选取了二线法和一线法两种方案，在每条垂线相对位置 0.2、0.6、0.8处按2∶1∶1(庙河水文站按1∶1∶1)垂线混合法取样，单样含沙量采用算术平均法计算并进行分析，然后与现用的三线法并进行比较，以确定最恰当的单沙取样位置。

用以上3种方法分别计算其比例系数，当含沙量小于0.100 kg/m3时，比例系数超限的次数较多，且均匀分布在比例系数为1的两侧，由于含沙量较小，计算出的输沙量值与实际值相差非常小，可忽略不计。所以选取含沙量不小于0.100 kg/m3时测次参加统计，统计成果见表1。

表12004～2007年各水文站单沙测验比例系数值统计

由表1可以看到，各水文站3种方法的比例系数频数比较接近，线数越多则精度越高，但相差不大，从方案优化和提高工作效益的角度看，可节约人力、物力的需求，各站均选用一线法进行可行性分析。

3 精度分析

对2008年3个水文站实测成果中一线法的单样含沙量与断面平均含沙量建立单断沙关系曲线，并进行了3种检验。同时，与现用的取样方法进行统计和对比分析(见表2)。

表22008年各水文站单断关系整编程序检验结果统计

从表3可以看出，3个水文站用一点法计算的单样含沙量与断面含沙量的关系系数与现用的三点法的单断沙关系系数相同，并均能通过符号检验、适线检验及偏离数值检验，其系统误差和随机不确定度也满足水文整编规范的要求。

采用一点法计算的单样含沙量和现用的单样含沙量测验方法(即三线法)分别对3个水文站2008年的实测资料进行了整编，对比结果见表3。

从表3中可以看出，3个水文站用一点法和现用的三点法计算的单样含沙量整编中，年平均含沙量均未发生变化，年平均输沙率最大也仅相差0.010 t/s，最大日平均输沙率、年悬移质输沙量和悬移质输沙模数基本相同，其最大相对误差仅为1.7%，因此可采用两种方法进行整编，所得出的成果基本吻合。

表32008年各水文站不同单样含沙量测验方法年整编成果比较

4 结论

(1)通过对2004～2007年成果资料统计和分析，确定三峡河段的3个水文站可采用一线法进行单样含沙量取样，并用一线法进行单样计算，对2008年资料进行整编，与现在使用的三线法整编成果相比较，差异较小，结果完全符合测验和整编规范要求。

(2)从单次取样时间看，原取样方法每次取样需用30 min，采用一点法取样仅需用5 min，可见采用一线法作为单样含沙量的取样方法的优化方案，与原方案作比较，可节省人力、减少劳动强度、提高工作效益。此外，在断面含沙量变化急剧时，能更好地控制含沙量的变化过程。

［1］ 中华人民共和国水利部.GB50159－1992河流悬移质泥沙测验规范［S］.北京:水电出版社，1992.

［2］ 中华人民共和国水利部.SL247－19990水文资料整编规范［S］.北京:水电出版社，1999.