阜新地区含沙量测验精简方式的探讨

孙 颖

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘山 124000)

0 引 言

阜新地区属于水土流失较为严重的区域，区域多年平均含沙量在10kg/m3-150kg/m3之间。河道断面含沙量测验主要通过布设测沙垂线，在各垂线位置采样分析垂线含沙量，在按照各测沙垂线之间的面积采样面积包围法进行断面平均含沙量的计算[1-2]。按照河道泥沙测验规范要求，当水面宽度在100m以上，需要布设10-15条测沙垂线进行断面含沙量的测验，这种方式下对于多沙河流测验任务要求较高，存在时效性不够、自动化水平低的局限和问题[3]。近些年来，许多水文测验工作者从实际出发，对河道含沙量测验精简方式进行了探讨，这些研究成果大都得出一个结论，即为河道断面平均含沙量高于某一个固定值时，采用测沙垂线精简方式很难满足含沙量测验的精度要求。此外，一些学者采用OBS-3A浊度仪，通过辅助观测的方式，来实现河段断面含沙量的测沙垂线精简。这种精简新方式可实现断面含沙量测验次数的精简，也可实现部分断面含沙量的自动监测[4-6]。为此文章以阜新地区多沙河流为研究实例，探讨借助OBS-3A浊度仪下阜新地区多沙河流测沙垂线精简方式，从而提高区域含沙量测验的效率。

1 测站概况

韩家杖子水文站位于绕阳河上游，该断面以上流域内包括阜蒙县的务欢池镇、建设镇、塔营子乡、平安地镇，彰武县的哈尔套镇和四堡子镇部分地区。流域面积为693 km2。断面以上河长为42 km，全长240 km，至河口距离为198 km，河道比降2‰左右。流域地理位置为E121°43′20″-122°08′05″，N42°12′05″-42°33′10″。测验河段顺直长约800m，枯水时形成分流，流心不定，洪水时比降大水流急，中水水面宽220m左右，水位达111.6m时左岸跑滩，滩地宽度可达250m，洪水时测验操作困难，对成果精度有影响。基本水尺断面上游500m左岸有四道河汇入，洪水时产生横比降。基本水尺断面下游700m为弯道，对高水起控制作用。左岸为沙壤土缓坡，右岸为岩石陡坡。河床为细沙组成，洪水时涨冲落淤，冲淤变化较大[7-9]。多年断面平均含沙量为11.07kg/m3，历年断面最大含沙量124kg/m3。2019年本站最大断面平均含沙量为130kg/m3，本年平均含沙量为27.8kg/m3。

2 精度评价方法

2.1 精简方法

各采样点依次位于垂线各测点，在每个垂线监测点至少保持80s的观测时间，保证数据采集的时效性和准确性。从2017年7月至8月下旬，进行对比观测试验60次，试验观测含沙量在11.5g/m3-14.9g/m3之间，对整个年份韩家杖子水文站断面含沙量进行基本涵盖。比测试验代表性较高，分布较为均匀。

2.2 精度评价指标

对比观测主要是分析精简组合方式下的含沙量和传统方式下观测的断面实测含沙量之间精度，主要采用系统误差、随机不确定度以及标准差三个指标作为比测试验的精度评价指标，各指标计算方程分别为：

1)系统误差

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

2)标准差

(2)

3)随机不确定度

(3)

(4)

3 精简分析结果

3.1 测沙垂线布置

在韩家杖子水文站水文站测验断面上、中、下各布设三个观测断面，各观测断面起点距见表1，并在各观测断面同一位置布设6条测沙垂线，测沙垂线的具体位置见表2。

表1 对比观测断面起点距范围

3.2 测沙垂线精简组合方式分析

对不同测沙垂线的精简组合方式下的含沙量进行率定分析，分析精简前后的含沙量测验值的相关系数，分析结果如表3所示。

表2 测沙垂线分布情况

表3 测沙垂线精简组合后的相关系数分析

从精简后的测沙垂线可知，各测沙垂线精简组合方式下的相关系数在0.43-0.59之间，按照相关系数的高度组合，选取相关系数较高的三种测沙垂线精简组合方式作为韩家杖子水文站的测沙垂线精简组合方式，测沙垂线精简后的方式为S2、S5、S3，按照河道泥沙测验规范要求，韩家杖子水文站水面宽度在100m以上，按照宽深比要求，需要布设8条以上测沙垂线才可满足泥沙测验的精度要求，但是通过对比观测试验分析，采用3条测沙垂线组合方式下也可满足一定的含沙量测验要求，为此选择三组相关系数较高的测沙垂线组合方式作为韩家杖子水文站的测验方式[10-12]。

3.3 精简后测验精度分析

基于上述线性关系可推算断面含沙量，结合实测含沙量进行精度对比分析，检验推算的含沙量是否满足测验精度要求。对测沙垂线精简后额推求精度进行评定，评定结果如表4所示。

表4 韩家杖子水文站各测沙垂线的含沙量比测精度分析结果

从韩家杖子水文站测沙垂线精简后的精度评定组合可看出，测沙垂线的符号检验精度均可达到合格要求，按照河道泥沙测验规范要求，当符号检验值高于0.3，基本就可达到合格水平。适线检验主要检验精简方式下含沙量的变化稳定性，从适线检验结果可看出，测沙垂线精简方式下适线检验值均在±2.0范围呢，适线检验值越小，表示稳定性越高。从随机不确定度可看出，各测沙垂线精简方式下随机不确定值在2.0左右，满足河道泥沙测验规范要求的随机不确定在±2.0的要求范围内。从标准差和系统误差可看出，各测沙垂线精简方式下的标准差和系统误差均在±10%以内，采用测沙垂线精简组合方式下的标准差和系统误差可满足误差要求。通过精度分析，采用测沙垂线精简方式下基本可满足河道泥沙测验的要求，但是当含沙量高于20km/m3，为控制好沙峰变化，还需要加密观测次数，从而提高含沙量的测验精度[13-15]。

4 结 论

1)通过精简组合方式，韩家杖子水文站分别在起点距为30m、60m以及110m布设三条测沙垂线即可满足含沙量的测定精度要求，可有效提高测沙时效性；

2)在汛期含沙量高于20kg/m3时，精简方式下不能有效控制沙峰变化过程，因此需要加密观测次数，从而覆盖整个沙峰的变化过程。