城陵矶七里山站边沙与单沙关系试验研究

丁红尧　　曾文锦

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉　430012)



城陵矶七里山站边沙与单沙关系试验研究

丁红尧曾文锦

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉430012)

摘要：为探求特殊水情下含沙量的测验方法，简化现有泥沙测验方案，基于城陵矶(七里山)水文站2011年2月～2012年8月共计248次实测边沙和单沙资料，通过建立边沙-单沙相关关系，分析其相关程度，从误差统计的角度证明该方法的可行性。结果表明，边沙-单沙线性相关，但拟合效果不佳，需要进一步改进和探索，但为特殊时期简化单沙测验提供了继续研究的方向，具有一定的借鉴意义。

关键词：泥沙测验；单样含沙量(单沙)； 岸边含沙量(边沙) ；相关关系

含沙量测验是水文工作重要内容之一，目前还无法实时测得通过河流断面的输沙率，只能建立断面含沙量(简称：断沙)和单样含沙量(简称：单沙)相关关系，并通过控制单沙过程，来推求各时段的断面悬移质输沙量[1-2]。该方法能简化泥沙测验工作，工作量较小，因此在我国大部分水文测站应用较广[3-4]。然而，在特殊水情或者特殊测验时期，比如出现超常规洪水，测船无法出测、漂浮物多导致无法测验等情况下，单沙测验工作就无法开展。为了控制含沙量的变化过程，可以考虑在测验断面近岸边稳定水流处，施测岸边含沙量(简称为边沙)，通过边沙和单沙的相关关系，进而推求单沙。

本文正是基于边沙和单沙相关理论基础，在洞庭湖出口站——城陵矶(七里山)水文站开展试验，取得了2011年2月～2012年8月期间共计248次实测边沙和单沙的资料，为误差统计分析提供了基础数据。

图1　城陵矶(七里山)站地理位置

1　测站概况

城陵矶(七里山)水文站位于洞庭湖出口水道，上游约4 km为东洞庭湖，下游4 km处为长江荆江与洞庭湖出流汇合口(见图1)，是洞庭湖出口水沙监控站，为国家一类基本水文站。测验项目包括水位、水温、流量、含沙量、悬移质颗分、降水、蒸发、水质和水雨情拍报。

测验断面为单式稳定河床，冲淤变化不大，含沙量的横向分布比较均匀，中泓稍大。受洞庭湖调蓄和三峡水库清水下泄的影响，含沙量一般在0.015～0.870 kg/m3变化；年最大含沙量出现在2～5月份。目前，含沙量测验仪器为横式采样器，测验方法为在起点距480，720 m和960 m处按2∶1∶1垂线混合法施测单位含沙量，控制含沙量的变化过程；在起点距180，340，480，600，720，840，960 m和1 080 m处采用垂线混合法施测断面含沙量。含沙量整编方法是利用当年实测单沙、断沙资料，建立相关关系，再利用单沙资料推求断面平均含沙量。多年资料的分析表明，城陵矶(七里山)水文站单沙-断沙关系保持稳定，单沙垂线代表性较好，为边沙-单沙关系的探讨提供了较好的前提条件。

2　边沙测验方法与资料处理

2.1边沙取样位置及方法

边沙取样位置应相对固定，选择受岸边环境及风浪影响较小，能够满足不同水位级取样要求。尽量避免回流、假潮和乱流处，以保证资料的连续性和可靠性。

经综合对比，城陵矶(七里山)水文站边沙取样位置选在该站测流断面右岸，趸船外侧畅流处。取样仪器为直立式采样器，取样位置为水面下0.2 m，单次取样总容积为3 000 mL，要求分3次取样，每次取样1 000 mL。单沙和边沙测验仪器对比见图2。两种型号采样器容积均为1 000 mL/次，属于瞬时采样器。

图2　横式采样器和直立式采样器对比

2.2取样时期

2011年2月～2012年8月试验期间，在每次开展断面含沙量及单位含沙量测验的同时，按固定的水样容积在边沙取样位置采取水样。为了减少不确定因素和偶然误差，水样采取应注意如下事项。

(1) 时间同步。边沙采样时间应与单位含沙量采样时间尽量保持一致，确保单次成果的质量。

(2) 容积固定。水样采集应采用固定容积，以避免因容积不一致造成资料误差而破坏资料系列的一致性。

(3) 真实可靠。边沙取样时，应避免环境影响，在遇恶劣天气和受漂浮物较多影响时，避免将杂物带入水样，保持水样采集的真实性。

2.3资料处理

试验沙样分析方法主要采用沉淀烘干法。资料处理时，还要遵循以下处理原则。

(1) 沉淀浓缩水样，必须遵守操作规程中规定的沉淀时间。处理时，不得抽取出底部泥沙，要确保单次成果质量符合要求。

(2) 单沙和边沙处理日期最好保持一致。

(3) 严格按照悬沙水样处理方法分析，避免人为误差。

(4) 在获取每测次资料之后，对比分析相关关系，找出误差较大测次，持续改进。

试验于2012年8月结束，共取得不同水位级、不同沙量级实测边沙、单沙资料248次。

3　结果与分析

3.1边沙与单沙过程线比较

根据实测边沙与单沙资料，分别点绘边沙、单沙与时间过程线，见图3。由过程线图可看出，边沙与单沙变化过程基本一致，特别是单位含沙量小于0.2 kg/m3时，两者拟合良好。随着含沙量增加，两者拟合效果下降明显，且在沙峰附近时两者相差最大。

图3　2011～2012年城陵矶水文站边沙、单沙过程线比较

3.2边沙与单沙相关性分析

对实测的边沙与单沙资料进行线性关系拟合，见图4。边沙、单沙相关性系数为0.727，Cs单=2.104×Cs边-0.002,分别进行符号检验、适线检验、偏离数值检验及计算标准差。通过计算，系统误差为-0.05%，标准差和随机不确定度分别为18.76%和37.52%，均大于现行水文资料整编规定的精度要求。

图4　城陵矶水文站边沙-单沙关系

由图4可看出，边沙与单沙关系点较为散乱，呈辐散状。在数值较低处即含沙量较小时，关系点距比较密集，测点相对误差较小，随着测点含沙量增大，分布稀疏分散，相对误差增加明显。

综合表明，利用现有试验资料，无法建立线性单一的边沙-单沙关系，但从方法原理和技术手段上仍有实现的可能性。在保证资料来源可靠的前提下，应注意改进取样方式，避免在会产生较大误差的情况下取样，采集单沙水样同时继续收集边沙资料，尽量做到各个水位级和沙量级内测次分布均匀。

3.3误差分析

(1) 从资料来源分析，现有边沙取样位置和测验方法的代表性较差。由于边沙取样位置固定在趸船外侧，随着水位高低变化，趸船位置也会发生变化，造成取样位置不固定。同时，由于城陵矶(七里山)水文站地处洞庭湖与长江交汇处，洞庭湖与长江汛期不完全一致，会存在水位顶托作用，近岸处流速下降快，对边沙变化有一定影响，在大风大浪时其代表性更差。

(2) 从资料本身分析，单沙包括了各级沙量，边沙测点靠近岸边，沙量相应较低，因此，在产生沙峰处两者差异会较为明显；由于水位高低影响含沙量的横向分布，也会使两者关系发生变化。

(3) 本文采用线性定线，通过了显著性检验，但拟合精度不高，其原因主要是边沙、单沙相应测次不能够完整涵盖各级沙量，且分布不够均匀、代表性较差，同时，单一线性回归方法本身也存有局限性等。

4　结论与展望

4.1改进措施

根据城陵矶(七里山)水文站2011年2月～2012年8月的实测资料，建立边沙-单沙的线性关系并检验。分析计算和论证表明，边沙-单沙相关关系不明显，因此这一方案暂不可行，但可进行如下改进[5-6]。

(1) 由于现有边沙取样位置易受水位涨落和大风大浪影响，建议重新选定取样位置，以满足不同水位级的取样要求。

(2) 当断面含沙量变化较大时，可在单沙测验测前、测中、测后各取一次边沙，以三者平均值作为对应边沙值，提高边沙代表性。

(3) 待采样器稳定后，方可取样。

(4) 边沙取样时，应避免环境影响，在遇恶劣天气和受漂浮物较多时，应注意保证水样采取的真实性。

(5) 加强测点布置，并在不同水位级和沙量级收集相应资料，对边沙-单沙关系数据进行补充、修订完善和验证分析。

4.2展望

通过大量实测数据来分析边沙-单沙相关关系，为解决特殊时期泥沙测验提供了一种改进方向，对今后深入研究边沙-单沙关系以及采取其他简化方法获得单沙具有一定的借鉴意义。

在对边沙-单沙关系进行定线时可不局限于单一线性关系，应根据实际测验资料进行分段定线处理。

在今后的实际工作中，可以从以下几个方面做进一步地深入分析、探究：①不同水位级和沙量级条件下，边沙取样垂线位置的选择范围与条件；②边沙-单沙相关关系的建立方法与形式；③边沙-单沙推算误差与精度指标的确定；④边沙推算断沙辗转相关时产生的传递误差合理性分析等，从而更加完善特殊水情条件下的河流悬沙测验方案，减轻劳动强度。

参考文献：

[1]GB50159-92河流悬移质泥沙测验规范 [S] .

[2]肖忠, 华家鹏, 赵东, 等. 特殊情况下采取 “边沙” 推求“单沙”资料的试验探讨[J]. 水文, 2003, 23(4): 41-44.

[3]邹振华，简秋敏，吴琼.洞庭湖松虎河流洪道河道演变分析[J]，人民长江，2015，46(增)：89-91.

[4]朱刚. 杂谷脑站边沙-单沙关系分析[J]. 科技视界, 2013 (13): 186-187.

[5]黄振平. 水文统计学[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2011.

[6]谢悦波. 水信息技术[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2009.

(编辑：李慧)

收稿日期：2016-05-15

作者简介：丁红尧，男，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，技师.

文章编号：1006-0081(2016)07-0008-03

中图法分类号：P332.5

文献标志码：A