长江沙市水文站临底沙测验分析研究

吴立健 张太琼 刘晓琴

（长江委水文局荆江?水文水资源勘测局，湖北荆州 434000）

长江沙市水文站临底沙测验分析研究

吴立健 张太琼 刘晓琴

（长江委水文局荆江?水文水资源勘测局，湖北荆州 434000）

三峡水库175m正常蓄水运用后，坝下游河床在相当长时段内处于冲刷状态，研究了解河段的全沙输移状态有重要意义，因此，需要开展临底沙测验，分析常规测验和临底悬沙测验成果的差异，了解全沙输沙量情况，可以为研究三峡水库建成后长江中下游河道冲淤量计算方法及河道演变发展趋势提供科学依据。根据沙市水文站2011-2013年临底沙实测资料，对照常规测验方法和临底沙多点法测验的成果，分析两者测验之间的差异，总结临底沙测验成果的特性规律，发现常测法测量的含沙量比临底多点法偏小，常规法测得年输沙量明显偏小，存在漏测情况。

沙市水文站 临底沙测验 分析差异 总结特性规律 年输沙量 漏测

1 前言

三峡水库175m正常蓄水运用后，坝下游河床在相当长时段内处于冲刷状态。研究了解河段的全沙输移状态有重要意义，全沙包括推移质与悬移质，两者相互联系，即推移质泥沙运动变化对悬移质泥沙中临底部分运动影响较大。因此，开展临底沙测验，分析常规测验和临底悬沙测验成果的差异，研究全沙输沙量情况，可以为研究三峡水库建成后长江中下游河道冲淤及发展趋势提供科学依据。

沙市站从2011年开始，比较全面系统的收集了临底沙测验资料，本文根据沙市站实测资料，对临底沙规律进行初步研究。

2 测验方法

2.1 测验河段概况

沙市（二郎矶）站是国家基本水文站，一类精度水文站，位于三峡坝下208km湖北省荆州市沙市区二郎矶，集水面积1032033km2，为长江中游干流控制站。基本水尺位于沙市二郎矶，上游1300m处建有荆州长江公路大桥，左岸上游600m为观音矶，右岸上游约10km有太平口分流入洞庭湖。

2.2 临底沙测验仪器

图4.2.1 2011年10月14日

图4.2.2 多点法垂线相对流速与相对水深多测次关系曲线

由于临底悬沙测验的特殊要求，既要能测到距床面上0.5m、0.1m处的含沙量，又要尽量减少采样器对河床、水流的扰动，因此临底悬沙采样器选用双管垂直连接型式，底部采样器在铅鱼体内安装，双管可进行同步取样，采样器器盖采用触及河底立即关闭的结构型式，其他相对位置测点采用横式采样器。

2.3 测验方法

流量采用走航式ADCP施测，各测点水深及流速从ADCP测验资料中提取或按曲线公式计算，含沙量、悬颗测验垂线按多线多点法布置，采用7点法，以河床为相对零点，测点位置分别为相对水深1.0、0.8、0.4、0.2、0.1、距床面0.5m、距床面0.1m。其中相对位置1.0、0.8、0.4、0.2、0.1处采用常规横式采样器取样，而距距河底0.5m、0.1m处则用临底悬沙采样器取样。每次在取悬移质含沙量水样的同时，也同样另取一套作为悬移质常规颗分水样。

3 资料整理

3.1 几个基本术语

图4.3.1-1 临底常规法垂线平均含沙量与临底多点法垂线平均含沙量多测次关系曲线

图4.3.1-2 临底常规法断面平均含沙量与临底多点法断面平均含沙量多测次关系曲线

（1）直算法：在水文测验计算中，先直算流速、含沙量与颗粒级配的垂线平均值，然后再横算断面平均值的方法。（2）横算法：将各实测垂线同一相对水深处的测点流速、含沙量和颗粒级配，分别采用面积加权、面积与流速两者加权和面积、流速与含沙量三者加权进行横向计算，得出可以代表断面平均情况的概化垂线上各相对水深处的测点流速、含沙量和颗粒级配的计算方法。（3）常规法：水文站日常采用常规仪器，按常规布线布点进行的观测。（4）临底多点法：以临底悬沙采样器多线多点法测验资料为基础以直算法计算的值。（5）临底常规法：以临底多点法测验资料为基础采取抽样的方法按常规法测点数以直算法计算的值。（6）概化垂线分布：以横算法公式计算的断面分层流速、含沙量、级配沿垂线的分布，其概化垂线平均即为断面平均值。（7）概化成果：以临底悬沙采样器多点法测验资料为基础以横算法计算的值。

图4.3.2-1 2011年10月14日

图4.3.2-2 临底多点法垂线相对含沙量

表4.2.2 沙市站年输沙量改正计算表

3.2 资料计算方法

对于多线7点法的测验成果，除按规范规定的方法计算成果即常规成果外，还求出能代表断面平均情况的流速、含沙量、级配、和各分组粒径含沙量垂直分布，即概化垂线分布。

资料整理时，对断面输沙率，分别得出采用常规法的测点与多点法的测点的计算值，后者与前者的比值即为修正系数。对垂线输沙率，则采用概化垂线测点分布，采用抽样的方法，计算常规测点的成果，然后求出与多点法计算值的比值，即修正系数。另外计算悬沙中床沙质（大于0.1mm的沙粒）输沙率修正系数。两种方式均计算漏测率。

4 测验成果分析

4.1 常规测验方法与临底多线多点测验法的差异

为了解常规测验方法是否存在漏测现象，将常规法测验结果与临底试验所测的7点法选点计算的结果进行对照，沙市站常规法测验结果与临底多点法测验结果相比：输沙率和平均含沙量系统误差分别为-1.7%和-1.7%，相对标准差分别为10.7%和11.2%，都是有时偏大，有时偏小，个别偏离达25%，均没有明显规律可循。

4.2 流速测验成果分析

4.2.1 各测次两种方法计算的垂线相对流速与相对水深对照

2011-2013年采用走航式ADCP测验，从ADCP测验资料中摘录的2点法和7点法相应的流速，采用临底常规法和多点法计算概化垂线平均流速，点绘各测次两种方法计算的垂线相对流速与相对水深对照图，见图4.2.1。可以看出，临底常规法由于测点较少在对断面流速垂向分布描述上不如临底多点法细致，但两者规律一致。

4.2.2 临底多点法垂线相对流速与相对水深关系

图4.2.2为沙市站27个测次临底多点法流速测验成果绘出的垂线相对流速与相对水深多测次关系曲线。从数据点的分布来看，虽然各测次流量级有所差异，但同一相对水深层相对流速点位比较集中，各测次相对流速分布线型比较接近，相对流速在0.61-1.18之间变化，说明测验期间沙市断面相对流速沿水深分布关系比较稳定。综合线的指数为0.155（1/6.4669），即断面概化垂线流速分布系数为0.155。

4.3 含沙量测验成果分析

4.3.1 含沙量大小

沙市站27个测次临底多点法和临底常规法计算得到的含沙量成果，并求出了两种计算方法下含沙量的修正系数，从统计结果看出：临底常规法与临底多线多点法测验的含沙量成果相对误差较大。

图4.3.1-1和图4.3.1-2点绘了多测次临底常规法和临底多点法测得的垂线平均含沙量和断面平均含沙量的相关关系，结果显示两种方法测得的成果相关性很好。

4.3.2 含沙量沿垂线分布

点绘临底常规法与多线多点法垂线相对含沙量与相对水深的关系图，见图4.3.2-1，可以看出两种测验方法取得的成果基本反映出了含沙量垂线分布规律，但从临底多线多点法含沙量沿水深分布图上可以看出，在相对水深0.1至近河床0.1m处的含沙量明显加大。

图4.3.2-2为多测次临底多线多点法垂线相对含沙量与相对水深的关系曲线图，同一相对水深处测点较集中，但不如相对流速分布密集，尤其是近底部，各测次相对含沙量变化较大，全断面的相对含沙量在0.275～13.9之间变化，河底以上0.1m处相对含沙量在1.17～13.9之间变化，拟合的概化综合分布线型为乘幂型，幂指数为-0.561（1/-1.7823），即断面概化含沙量分布公式为：

相对含沙量：CSη/CS=0.477η-0.561。

4.4 输沙率测验成果

4.4.1 临底常规法与临底多点法成果比较

沙市站临底常规法和临底多线多点法输沙率计算的全断面输沙率最大相对误差为22.8%，最小为2.7%，平均相对误差为0.01%，平均修正系数为1.01；粒径大于0.1mm部分输沙率最大相对误差为-25.1%，最小相对误差为4.1%，平均相对误差为-5.29%，平均修正系数为1.09。说明两种计算方法中粒径大于0.1mm部分的输沙率相对误差比全断面输沙率的相对误差要大。

4.4.2 输沙量改正计算

表4.4.2统计了沙市站2011-2013年输沙量改正情况，，统计结果表明临底常规法施测的输沙量比临底多线多点法施测的输沙量要偏小。

5 结语

（1）常规法和临底多点法得到断面平均含沙量成果基本一致，从成果比较来看，两种测验方法得到的多测次断面平均含沙量和垂线平均含沙量相关性良好，但常测法测量的含沙量偏小。（2）常规法测年输沙量比临底多线多点法施测的年输沙量要小。因此开展临底沙研究，对输沙量法计算河道冲淤量，对研究河道演变等都有重要意义。