彰武水文站测沙垂线精简分析探讨

王晶娥

(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)

0 引 言

柳河属于辽宁省典型的多沙河流，河流实测最大含沙量为1580kg/m3，素有“第二黄河”之称[1]。彰武水文站为柳河中游主要控制站点，为准确把握含沙量的变化过程，需要对其含沙量的变化进行准确把控[2]。按照河流悬移质泥沙测验规范要求，当河面宽度>100m需要设置15-30条测沙垂线[3]。由于彰武水文站河面宽度>100m，传统含沙量测验时一般需要设置15条测沙垂线，这样使得水文站含沙量测验的任务较重，且水文站泥沙测验精度为二类，为保障泥沙测验的精度，彰武水文站一次泥沙测验需要耗费人力和物力均较大[4]。近年来，为提高泥沙测验效率，降低水文工作者的劳动强度，许多流域水文测站均开展过测沙垂线的精简分析。通过对比观测试验分析精简组合后的测沙垂线方式也可满足河流悬移质泥沙测验规范要求。为此文章以彰武水文站为具体实例，通过比测试验的方式，探讨测沙垂线组合后的泥沙测验精度。研究成果对于阜新地区含沙量测验方式创新具有参考价值。

1 测站概况

彰武水文站地理位置为E122°30′32″，N42°21′54″。测验河段顺直长约2000m，河心有沙滩，枯水形成分流，流心摆动不定，洪水时比降大、淤柴多、含沙量大，最大河宽443m。基本水尺断面上游430m处有建站前修建的铁路桥一座。两岸土堤，河床为细沙组成，洪水时涨冲落淤。河床变化较大。流量测验精度为二类，泥沙测验精度为二类。彰武水文站多年断面平均含沙量为13.6kg/m3，历年断面最大含沙量1969年266kg/m3。2019年最大断面平均含沙量为19.5kg/m3，最小断面平均含沙量为0kg/m3，本年平均含沙量为3.31kg/m3。

2 精度评价方法

2.1 精简方法

测沙垂线的精简方法主要是通过测沙垂线组合的方式，建立不同垂线精简组合下的含沙量相关方程，在相关方程检验的基础上，提出最优的测沙垂线精简组合方式，并采用传统测沙垂线布设方式下测定的含沙量进行误差对比，分析精简后的含沙量测验精度是否满足河流悬移质泥沙测验规范要求。

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

在彰武水文站水文站测验断面上、中、下各布设3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

表2 测沙垂线精简组合分布情况

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3 测沙垂线精简组合后的相关系数分析

从表3测沙垂线精简组合后的含沙量以及传统布设方式推求的含沙量相关方程可看出，测沙垂线精简后的含沙量和传统布设方式下的含沙量总体为一次函数关系，相关系数在0.47-0.67之间，具有较好的相关性，从测沙垂线精简组合中选中相关性最好的测沙垂线组合作为精简最优方案，从分析结果可看出，S2、S4、S6、S8垂线组合下其测定的含沙量和传统布设方式下的含沙量之间的相关系数均在0.6以上，因此起点距分别为50m、85m、140m以及180m作为测沙垂线精简组合布设4条测沙垂线可较好的满足彰武水文站断面悬移质泥沙的测验要求[·-7]。

3.3 精简后测验精度分析

在S2、S4、S6、S8测沙垂线精简组合方式下，进行7组对比观测试验，结合前面所述的评价指标对测沙垂线精简后推求的含沙量精度进行评定，评定结果如表4所示。

表4 彰武水文站测沙垂线精简组合下含沙量比测精度分析结果

从7组对比观测试验方式下，采用S2、S4、S6、S8的4条测沙垂线精简组合方式下，各精简组合下的随机不确定度总体可在2.0范围内，满足河道泥沙悬移质规范要求的比测试验随机不确定度在2.5范围内的标准要求。此外对各组对比观测试验的标准差进行分析，随机不确定度主要是表征分析样本是否具有一致性，而标准差是判定含沙量测验精度的重要误差指标，标准差越大，表明样本序列不具有同步性[〈-10]。从分析结果可看出，7组对比观测试验下，测沙垂线精简组合方式下其标准差总体可在±20%范围，按照河道泥沙悬移质规范要求二类水文站泥沙测验精度，其对比观测的标准差需要在±20%误差范围内，因此彰武水文站测沙垂线精简方式下的含沙量对比观测的标准差范围满足河道泥沙悬移质规范要求。在标准差分析基础上，对7组对比观测试验方式下的系统误差进行分析，系统误差主要表示测沙垂线精简组合方式下的含沙量和传统布设方式下含沙量之间是否存在系统偏差，从7组对比观测试验方式下的系统误差可看出，各组试验方式下测沙垂线精简组合方式下的系统误差在±20%内变化，按照河道泥沙悬移质规范要求二类水文站泥沙测验精度要求对比观测系统误差应控制在±25%内，因此可满足河道泥沙悬移质规范的系统误差要求。综合随机不确定度、标准差、系统误差的对比观测分析，采用S2、S4、S6、S8的4条测沙垂线精简组合方式下可满足彰武水文站的含沙量测验要求。

4 结 论

1)起点距分别为50m、85m、140m以及180m作为测沙垂线精简组合布设4条测沙垂线可较好的满足彰武水文站断面悬移质泥沙的测验要求，建议在高洪水含水量应急监测中，为提高含沙量测验的时效性，可以采用。

2)测沙垂线精简方式对于断面冲淤变化较小的河流较为适用，对于断面冲淤变化较大的河流尤其是在汛期洪水期，还需要加密测沙垂线观测的数目，从而提高含沙量测验的精度，尤其是控制沙峰的变化。