部分流量权重系数法推求断面平均含沙量在黑河中的应用

赵雪芳

（甘肃省张掖水文水资源勘测局，甘肃　张掖　734000）

部分流量权重系数法推求断面平均含沙量在黑河中的应用

赵雪芳

（甘肃省张掖水文水资源勘测局，甘肃张掖734000）

采用部分流量权重系数法推求断面平均含沙量在黑河莺落峡水文站、札马什克水文站，其原理源自于部分流量加权法，采用对测站施测资料分析计算，得到各测线之间部分流量权重系数，通过计算可得到断面平均含沙量，利用此方法能够快速完成悬移质输沙率测验，减少流量测次，降低成本，为高洪水 抢测沙峰提供技术条件。

部分流量权重；系数；断面平均含沙量

在水文测验中输沙率测验工作是一项非常繁琐而费时的工作，本报告针对不同类型的测验断面试图探讨一种利用部分流量权重法实测断面平均含沙量的方法，以便比较完善掌握断面平均含沙量变化过程，增加断沙测验次数，提高断沙测验精度。

在中常常会遇到这样的几种情况：一是水位（流量）变化不大而含沙量变化较大；二是洪水测验中洪峰和沙峰往往会不同时出现，沙峰常提前或者推后于洪峰一定时段才出现。出现这种情况后，从水位流量关系分析角度出发测次完全满足了定线要求，而从单断沙关系分析角度出发测次就不能满足定线要求，流量输沙率同步实测会造成G-Q关系点群出现“扫帚头”现象；三是山溪性河流洪水暴涨暴落，洪水历时较短给流量输沙工作带来很大困难，很难完整掌握断面平均含沙量变化过程，带着这一些列问题经过深入分析探索出一种断面含沙量测验的有效方法。

1　部分流量权重系数法推求断面平均含沙量

1.1输沙率测验原理

Qs——断面悬移质输沙率；

Cs——断面任意一点的含沙量；

V——断面任意一点的流速；

B、h——分别表示断面水深和水面宽。

上式无法用数学方程计算，和流量测验相似仍需要测验断面上布设一定数量的测深、测速、测沙垂线，通过实测各条垂线上测点的水深、流速、含沙量，按有限差形式，将断面分成有限个部分单元，分别计算部分流量、部分垂线平均含沙量几部分输沙率，然后累计计算出断面输沙率，因此，实际应用如下形式：

式中Gsi、gi分别为测沙垂线间部分平均含沙量和部分流量。

1.2部分流量权重的计算

由（2）式可知：只要能比较准确的推算各测沙垂线间部分流量所占权重，由实测各测沙垂线平均含沙量，就能计算出各测沙垂线间的部分平均含沙量，从而得到断面平均含沙量。

经过对不同类型测验断面，不同量级洪水过程实测资料分析发现：人工渠道断面和无明显冲淤变化河道，如果测沙垂线固定，各个测沙垂线间部分流量所占权重在不同测次当中是比较一致的，采用各测沙垂线间部分流量平均权重和各测沙垂线间部分平均含沙量直接计算出断面平均含沙量，即不需要测流只取垂线平均含沙量就可施测计算出断面平均含沙量；有明显冲淤变化河道断面，如果测沙垂线固定，水面宽相对稳定，可将涨水段和落水段分割，分别计算各测沙垂线间部分流量权重系数来计算断面平均含沙量。也可借用前一份实测流量部分流量权重系数来直接计算后一份实测断面平均含沙量。此法特别适合于含沙量变化急剧的窄深式河流，这样可以大大缩短测验历时，能够较完整的掌握断面平均含沙量变化过程。

2　实例应用

2.1流域概况

黑河位于东经98°-101°31′，北纬38°-42°之间，是甘肃河西地区最大的内陆河，发源于青海省祁连山后山，上游地形分布高山，峡谷，荒滩，坡度变化较大，平均海拔3000m以上，上游分东西两岔，西岔为黑河干流，设有札马什克水文站，东岔为八宝河。在青海省黄藏寺交汇后进入大峡谷，至莺落峡出山，设有莺落峡水文站。经张掖盆地，最后汇入居延海，全长821km，总流域面积128283km2。

2.2人工渠道或无明显冲淤变化河道部分流量权重确定

2.2.1人工渠道部分流量权重

随着水利事业的发展，各条河流均不同程度地受到蓄水灌溉、引水发电等工程措施的制约，分析研究人工渠道输沙率测验十分必要，下面以黑河莺落峡水文站龙电渠为例确定部分流量权重系数见表1。

表1　黑河莺落峡龙电渠测验断面部分流量权重系数计算表

2.2.2无明显冲淤变化天然河道部分流量权重确定

黑河札马什克水文站测验断面属天然河道无明显冲淤变化，断面控制良好，畅流期水位流量关系历年呈单一曲线，河宽30～50m，测深、测速、测沙垂线历年分布一致。下面选用2003年部分施测输沙率资料进行部分流量权重计算见表2。

表2　黑河札马什克站测验断面部分流量权重系数计算表

2.3有明显冲淤变化河道部分流量权重系数确定

黑河莺落峡站测验河段基本顺直，长约400m，上狭下宽，略呈喇叭形，左岸为砂卵石滩，右岸建筑防洪墙和浆砌石护坡。断面呈复式，中高水发生漫滩，主流稳定，Z-Q关系主要受断面冲淤变化和洪水涨落影响。表3选取该断面2003年部分输沙率资料进行部分流量权重系数分析计算。见表3。

表3　黑河莺落峡站测验断面部分流量权重系数计算表

2.4利用部分流量权重法施测断面平均含沙量误差分析

人工渠道和无明显冲淤变化天然河道部分流量权重法实测断面平均含沙量的误差主要是由单次部分流量权重与平均部分流量权重差造成，与起点距定位，水深、测点深位置有关。可用指定某一起点距范围内部分流量权重在不同输沙率测次中偏离平均权重的波动图形直接反映。图1中点绘了莺落峡龙电渠起点距0.0～1.0m之间各测次部分流量权重系数偏离平均权重系数的波动图形。

图1　莺落峡龙电渠测验断面起点距0～1m部分流量权重系数波动

从中可以看出，所有点居中偏离最大绝对误差为0.005，相对误差仅2.7%。

表2所列主槽部分起点距 26.0～34.0m、34.0～42.0m、42～50.0m部分流量权重系数与各平均流量权重系数偏离不大，岸边起点距0～26.0m、50～左岸，部分流量权重系数与相应平均权重系数存在差别，主要由于岸边起点距估读、水深测量、流速仪测点位置等要素综合测验误差造成，总体来看岸边部分所占权重较小，对断面平均含沙量计算的影响也相应较小。

图2　莺落峡大河测验断面起点距10-20m部分流量权重系数波动

图2点绘了有明显冲淤变化河道代表断面莺落峡站河道断面起点距10.0～20.0m部分流量权重系数波动图。从图中可以看出：各输沙率测次的部分流量权重系数都集中分布于部分流量平均权重系数代替计算能够满足输沙率测验精度要求。

3　结论

采用部分流量权重系数法推算断面平均含沙量作为悬移质输沙率测验的方法，其理论原理充分、分析精度较高，在高水和大含沙量使用的精度更高，效果更好，为高洪水时抢测沙峰提供技术条件。

1）对无冲淤变化的人工断面和无明显冲淤变化天然河道，年内或多年测深、测速、测沙垂线布设一致的情况下可直接借用平均部分流量权重系数计算断面平均含沙量。

2）对有明显冲淤影响的断面，可直接借用平均部分流量权重系数计算断面平均含沙量，也可在冲淤变化前后分别借用相邻流量、输沙率部分流量权重系数计算断面平均含沙量。

3）因常规输沙率测验必需施测流量，本法的应用涉及到流量输沙率测次编号、记录、计算格式等问题，需对输沙率测验规范做进一步补充修正。

［1］ 张留柱，赵志贡，张法中，等.水文测验学［M］.郑州：黄河水利出版社，2003.123-155.

［2］ SL247-2012，水文资料整编规范［S］.

［3］ GB50179-93，河流流量测验规范［S］.

P333.4