简化悬移质输沙率测验方法探讨

柳　恒，赵　明，曲志强，任宝学

（松辽委水文局黑龙江上游中心，黑龙江黑河164300）



简化悬移质输沙率测验方法探讨

柳恒，赵明，曲志强，任宝学

（松辽委水文局黑龙江上游中心，黑龙江黑河164300）

［摘 要］水文测验先进设备的应用，对传统悬移质输沙率测验方法提出了新的问题，本文对卡伦山水文站悬移质输沙率测验方法进行精简比测试验分析，并对简化方法的成果精度进行了验证，探讨了简化悬移质输沙率测验方法的可行性。

［关键词］悬移质输沙率；测验；方法；简化；卡伦山水文站

1　测站概况

黑龙江干流自源头至中游912 km区间共分布3个水文站，自上游往下分别为洛古河站、上马厂站、卡伦山站。

卡伦山站位于黑龙江干流上、中游交界河段，结雅河下游18.9 km，是黑龙江干流泽雅河口下游控制站。集水面积7.25×105km2，至河口距离1 899 km。河道顺直，长约2 500 m，深槽偏于右岸，平水时河宽约900 m、最大水深约7.0 m。汛期断面最大含沙量不超过500 g/m3，河床为沙卵石组成，断面冲淤变化不大，水位流量关系线为单一曲线。河段比降较小，水面比降较小，高低水比降均在0.05‰～0.14‰间变化。

2　泥沙测验情况

卡伦山水文站自建站以来，悬移质输沙率测验主要是固定取样垂线，根据水面宽及断面情况布设10条取样垂线，采用横式采样器2∶1∶1垂线混合取样、流量加权计算断面平均含沙量，即垂线混合法。悬移质输沙率测验仅畅流期开展，与流量测验同步进行，采用120 kW水文测船，悬挂150 kg铅鱼及横式采样器渡河开展悬移质输沙率测验工作，根据水位变化均匀布置测次，测验次数不少于10次，每次测验时间为2～3 h。2008年ADCP（声学多普勒流速剖面仪）正式投入使用后，测站流量测验采用30马力冲锋舟载ADCP渡河测验，单次流量测验时间约1 h，测验人数为3人，仅为传统测验方式人数的1/2，但因在ADCP测流方式下，无法搭载铅鱼及横式采样器，悬移质输沙率测验方法无法同步进行，还需要再来一遍传统的悬移质输沙率测验，费时费力，水文测验效率得不到提高。为了配合ADCP流量测验，悬移质输沙率测验方法也要做相应的改进。为此，提出精简取样垂线测点，并进行对比试验，此次以卡伦山水文站为试点，进行试验分析，发现两者存在良好的关系，通过垂线上一点法与三点法的取样数据比较，相关程度较高，再通过一定关系将垂线上取一点的含沙量换算成常规方法三点的含沙量的方法是可行的。这样做可以缩减外业取样、内业泥沙处理、摘录、计算等大量的工作量，更好地配合ADCP流量测验工作。基于这项工作的现实意义，本文对试验数据进行整理分析，以探讨和验证此法的实际可行性。

3　对比试验方法

试验地点选择卡伦山站流量测验断面，采用120 kW的水文测验船渡河进行悬移质输沙率测验，取样设备为铅鱼、横式采样器、水样桶。

3.1取样位置

此次比测，根据测站断面形状共选取2条具有代表性的垂线，如图1所示的卡伦山水文站测验断面起点距100 m处岸边的垂线和起点距310 m处中泓的垂线。取样垂线点数共2种：一是三点法，即每条垂线相对水深0.2，0.6，0.8 m处；二是一点法，即每条垂线相对水深0.2 m处。

图1　测验河段断面图

3.2取样方法

根据水位变化情况，布设取样测次，悬移质输沙率测验工作由测验人员完成，每次测验时在每条垂线上采用三点法和一点法各取一次水样，样品拿回实验室进行过滤、烘干、称重，计算含沙量。

4　资料分析

4.1断面稳定情况

卡伦山站选择了1990，1995，2000，2005，2009年实测大断面成果，点绘于同张图上进行比较，可以看出，测验断面基本稳定，只是在起点距250～600 m处略有淤积及冲刷变化（见图2），但从历年测验成果上看，断面面积基本未发生变化，历年水位面积关系点据可定1条稳定的单一曲线。

图2　卡伦山站历年大断面图

通过以上分析，可以看出卡伦山站自1987年建站以来测验断面受冲淤变化小，断面河床保持稳定。这为含沙量沿垂线的分布保持稳定创造条件，为探讨此法提供可行性。

4.2关系线的确定与精度检验

2014—2015年畅流期共完成悬移质输沙率比测取样32次。选取该站全部测次资料进行统计分析，根据三点法计算的含沙量与一点法计算的含沙量建立相关关系（见图3），建立推求垂线平均含沙量的关系，关系式如下：

y=0.966 9x，R2=0.983 3

式中：y为推求所得垂线平均含沙量；x为一点法计算所得垂线平均含沙量。

图3　三点法和一点法计算垂线平均含沙量关系线

对所推求的关系线进行误差精度检验：2014—2015年，含沙量误差小于5%的累计频率为62.5%，含沙量系统误差为0.2%，含沙量系统误差允许精度为2%，含沙量系统随机不确定度为13.2%，含沙量系统随机不确定度允许精度为18%。从检验结果来看，通过相关关系，经一点法取样方法计算出的垂线平均含沙量精度很高，满足悬移质输沙率测验规范规定的精度要求。从图3上可以看出含沙量小于40 g/m3时，含沙量数据密集分布在关系线附近，此时为汛期的平水期，含沙量变化平缓，沿垂线横向分布均匀；含沙量大于40 g/m3时，数据偏离关系线，为洪水期，受流速影响含沙量变化剧烈，在全部统计的32个测次中有62.5%测次的含沙量相对误差小于5%，基本满足资料分析的要求，方法可行。

4.3整编成果的对比分析

利用2种测验取样方法建立的关系式，通过传统垂线三点法经全断面混合所得断面平均含沙量反算垂线一点法取样情况下的断面平均含沙量，2种方法得到的断面平均含沙量分别进行资料整编计算，选取卡伦山站5年含沙量资料进行分析，结果见表1。从表1中可见，所选连续5年资料采用三点法取样得到的断面平均含沙量经整编计算的时段总量，与经关系式反算一点法取样得到的断面平均含沙量经整编计算的时段总量之间相对误差基本保持在3%左右，基本符合二类精度水文站误差指标要求（时段总量允许误差指标见表2），获得很高的精度。证明悬移质输沙率测验采用垂线一点法取样经计算处理得到断面平均含沙量，这种简化悬移质输沙率测验方法是可行的。

表1　年含沙量 输沙率比较

5　结论与建议

1）采用垂线一点法悬移质输沙率测验，经全断面混合法计算的含沙量根据相应关系来推求断面平均含沙量的方法是可行的，简化了悬移质输沙率测验方法，保证了资料的精度，可以在今后的测验中应用。此法能够大大缩短泥沙测验内外业时间，能够做到与ADCP等先进流量测验设备同步进行外业工作，提高了水文测验工作效率。

表2　时段总量允许误差指标

2）为进一步验证两者的关系，在今后的测验中，可在不同时期、不同沙量级内，每年进行10次以上的固定垂线、三点法悬移质输沙率测验，与一点法进行比测校核。

3）在今后的悬移质输沙率测验中，应进一步尝试减少取样垂线数和引进现场测沙仪器，做进一步对比分析，做到在保证资料精度的同时减少内外业工作量，从而结合ACDP测流更好地提高工作效率。

［中图分类号］P332.5

［文献标识码］A

［文章编号］1002—0624（2016）07—0060—03

［收稿日期］2016-03-15