坝上水文站悬移质颗粒级配测验优化分析

刘运珊 ，管运彬

（1.南昌大学，江西 南昌，330031；2.赣江上游水文水资源监测中心，江西 赣州，341000）

0 引言

为科学合理地在开展水文要素测验，更好地收集相关水文资料，水文工作者根据水文站所处的位置及不同特点，做了大量测验优化分析，如高夏阳[1]等人针对青铜峡水文站做了悬移质含沙量测验的优化分析、张燕[2]针对团山子水文站做了流量测验优化分析、匡永清[3]等人对石门站做了单沙及单颗取样位置优化分析、张银涛[4]等人对洛河长水水文站做了输沙率优化测验分析等。

坝上水文站断面河床由细沙组成，断面相对稳定。根据《江西省赣州城区水文测报中心任务书》要求，规定单样颗粒级配分析（以下简称单颗）全年总测次≥50次。一次较大洪水过程洪峰附近测次≥1次，涨落水面测次各≥2次；一般洪水过程的分析次数≥1次；平枯水期取样间隔天数≤30天。断面平均颗粒级配分析（以下简称断颗）全年总测次≥15次。年最大或次大洪水过程峰顶≥1次，涨水面≥1次，退水面≥2次。较大洪水过程不少于1次；平水少沙期全年不少于3次，汛前汛后含沙量大于0.1kg/m3时各不少于1次。相应单颗取样次数、方法与仪器、水样容量等均同输沙的相应单沙。近年来，森林覆盖面积的增加，水土流失得到有效治理，以及上、下游陆续建成投产多个水利工程使坝上水文站含沙量呈逐年减少趋势。鉴于坝上站处于水利枢纽控制区域内，单断沙关系稳定，按现行测站任务书，职工测验工作量大，对该站的颗粒级配测验进行优化分析，论证该站颗粒级配测验优化的可能性及可行性，并制定完善的测验方案，达到既满足相关规范要求及资料整编使用要求，又减轻测验工作量的目的。

1 概述

1.1 水文站基本情况

坝上水文站建于1953年1月，为章水控制站、国家基本站，流域面积 7 657㎞2，东经 114°57′，北纬 25°49′，悬移质泥沙测验精度为二类站，水文分区为Ⅰ区。该站测验河段顺直，测验条件主要为河槽控制，河床由细沙组成，受冲淤影响，左、右岸为防洪堤。该站多年断面平均含沙量为0.082kg/m3；实测年最大断面平均含沙量4.35kg/m3，出现在1969年10月；断面最小含沙量为0 kg/m3，最早出现在1978年2月。

1.2 站网及水利工程分布情况

坝上水文站以上流域内设有5个国家基本水文站，23个国家基本雨量站，其他水文（位）站、降雨量站175个。流域内主要建有中小型水库170余座，其中油罗口、上犹江、龙潭三座大型水库，坝上站上游有章江水轮泵站，下游有八境湖拦河坝。

章江水闸位于章江下游赣州市幡龙镇欧潭，距赣州市6km，坝址以上集水面积7 650km2，占流域面积的98.3%。水闸于1966年10月动工兴建，1971年基本建成，是一座以提水灌溉为主，兼有发电、防洪、航运等综合效益的中型水利工程。承担着5个乡镇的农田灌溉任务，灌溉面积5万亩。电站装机容量23台/2 350kW，年供电总量1 200×104kW·h，年通航量3万吨。

章江八境湖拦河坝水闸位于风景点八镜台附近西北方向章江河段，距下游章贡两江汇合口450m。拦河坝控制流域面积7 683km2，多年平均流量200m3/s，相应库容2 370万m3，电站装机容量7 500kW，多年平均发电量2 500万kW·h。章江八境湖拦河坝水闸工程于2008年由溢流坝顶橡胶坝改为溢流坝翻板闸。橡胶坝工程于 2002年初步建成投入运行，电站厂房于2004年底建成投入运行。目前，建筑物主要由溢流坝（翻板闸）、河床式厂房、船闸、左右岸非溢流坝等组成。拦河建筑物沿坝轴线按“一”字形布置，砼溢流坝布置在河床中部，船闸布置在原主航道河床右侧，厂房坝段布置在河床左岸滩地处，砼非溢流坝紧靠厂房坝段左侧布置，土坝布置在右岸接头处。溢流坝堰顶高程94.20m，翻板闸布置在溢流坝堰顶顶部，沿坝轴线方向分为3跨21扇，每跨长70m，中间设置1m厚的砼隔墩。

1.3 悬移质颗粒级配分析测验现状

坝上水文站颗粒级配分析1970-1999年采用横式采样器采样，2000-2007年主要采用皮囊式采样器、部分测次采用瓶式采样器采样，2008年至今采用瓶式采样器采样。断面平均颗粒级配分析全年布设测次15次左右，年最大、次大洪水过程（峰顶、涨、退水面各不少于1次）；单颗全年测次60次左右，按照水位变幅和洪水过程布置测次，每一次洪水过程涨、退沙各2次、沙峰附近1次。

颗粒级配分析方法，1970-2013年采用粒径计法分析，2014年至今采用马尔文MS2000激光粒度分析仪。

1.4 目前资料整编方法

该站目前采用单样颗粒级配与断面平均颗粒级配关系曲线法整编[5]。主要工作内容有：一是编制实测悬移质颗粒级配成果表及实测悬移质单样颗粒级配成果表或悬移质断面平均颗粒级配成果表；二是绘制单样颗粒级配与断面平均颗粒级配关系曲线并进行检验；三是数据整理；四是整编月年平均悬移质颗粒级配成果表；五是绘制日、月、年平均悬移质颗粒级配曲线；六是单站合理性检査；七是编制泥沙颗粒级配资料整编说明表。

2 分析方法

本次分析依据《河流悬移质泥沙测验规范》（GB50159-2015）、《水文资料整编规范》（SL247-2012）、《河流泥沙颗粒分析规程》（SL42-2010）及《水文测验实用手册》（中国水利水电出版社）等规范，二类、三类站选用近5～10年资料做分析，其中一年的含沙量变幅占历年变幅的80%以上。单样颗粒级配与断面平均颗粒级配分析采样方法、分析方法一致的资料。

根据《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）8.2.4条规定，将历年断颗与相应单颗颗粒级配分析成果，按小于某粒径沙重百分数分成若干组，用各组平均值绘成历年综合单样颗粒级配与断面平均颗粒级配关系线。各年单样颗粒级配与断面平均颗粒级配关系曲线线套绘于历年综合单样颗粒级配及断面平均颗粒级配关系曲线图上，当各年关系线偏离综合关系线的最大值，粗沙部分在±3%以内，细沙部分在±6%以内，且断颗多于或少于单颗一个粒径级的测次占总测次的30%以下时，可实行间测或停测。

3 悬移质泥沙颗粒分析

3.1 资料选用

坝上水文站收集有1970-2019年共50年资料系列，其中1970-2013年采用粒径计法分析颗分资料，共44年资料系列。本次分析选用颗粒级配分析方法资料较长中的2004-2010年7年资料样本，历年最大含沙量变幅为1969年4.35kg/m3，样本年最大含沙量变幅为2005年2.39kg/m3。因近年来森林覆盖面积的增加，水土流失得到有效治理，以及上、下游陆续建设投产的水利工程等影响，使含沙量呈逐年减小趋势，近年趋势较稳定后查近30年最大含沙量为2.39kg/m3出现于2005年，考虑上述原因，本次分析样本不再统计含沙量所占历年的变幅比重，采用分段统计所占变幅比重，其中样本年含2005年。

3.2 历史资料特征值统计分析

3.2.1 年最大含沙量趋势分析

坝上站于1956年开始单位含沙量测验，共有64年资料系列，根据系列资料统计出各年最大单位含沙量值，并绘制年最大含沙量趋势图见图1。

图1 年最大单位含沙量趋势图

根据年最大单位含沙量趋势图发现，年最大含沙量总体趋势在逐年变小，以含沙量1.65kg/m3对其分割后大致分为3个过程系列，即1956-1963、1990-2019低于分割线，1964-1989高于分割线。

3.2.2 颗粒级配分析资料统计分析

颗粒级配分析测验于1970年4月开始，共50年资料系列长度，根据站月年平均悬移质颗粒级配表分别统计出年最大粒径、年平均粒径及年中数粒径，并绘制年最大粒径趋势见图2、年平均粒径趋势见图3、统计年中数粒径趋势见图4，1970年资料不参加以上年统计。

图2 年最大粒径趋势图

图3 年平均粒径趋势图

图4 年中数粒径趋势图

在趋势图中可看出年最大粒径和年平均粒径呈阶段性减小趋势，年最大粒径在1995-2019年间基本稳定在0.243～0.962mm之间；年平均粒径在1995-2019年间较稳定在0.015～0.045mm之间，2014年后年平均粒径有减小趋势；年中数粒径至2014年后有变小趋势，年中数粒径总体控制在0.006～0.042mm之间。

3.3 分析计算

3.3.1 历年综合线绘制

将样本年实测悬移质颗粒级配成果表中小于某粒径沙重百分数按年分组，计算各组平均值，计算结果见表1。

表1 各年分组粒径百分数平均值表 %

用各组平均值绘制历年综合单断颗关系线见图5，对绘制的关系曲线进行符号、适线、偏离数值检验，计算标准差及不确定度，结果显示：标准差为5.1%、不确定度为10.2%、系统误差为0.0%，根据以上定线情况查阅《水文资料整编规范》，符号检验、适线检验、偏离数值检验均在合理范围内。

图5 历年综合单断颗关系线图

3.3.2 各年单断颗关系线套绘于历年综合单断颗关系曲线计算偏离值

2004-2010年单断颗关系曲线节点分别为0、50和100，套绘于历年综合单断颗关系曲线上，根据2004-2010年单断颗关系节点表同历年单断颗关系线节点可看出，各年关系线和历年线重合，均为45°的直线，各年关系线与历年线的偏离值为0。

3.3.3 断颗多于或少于单颗一个粒径级测次统计

从表1中统计出各年断颗多于或少于单颗一个粒径级测次，计算占总测次的百分数见表2。

表2 断颗多于或少于单颗一个粒径级测次占比统计表

断颗多于或少于单颗一个粒径级测次占全年总测次中最小占比值为0%，无超过断颗多于或少于单颗一个粒径级测次占全年总测次30%的年份。

4 结 论

近年来森林覆盖面积的增加，水土流失得到有效治理，及受水利工程等影响，坝上水文站年最大含沙量总体趋势在逐年变小，年最大粒径和年平均粒径呈阶段性减小趋势，年最大粒径在1995-2019年间基本稳定在0.243～0.962mm之间，年平均粒径在1995-2019年间较稳定在0.015～0.045mm之间，2014年后年平均粒径、年中数粒径有变小趋势，年中数粒径总体控制在0.006～0.042mm 之间。

用各组平均值绘制历年综合单断颗关系线，各评定限差均在合理范围内。各年关系线与历年线重合，均为45°的直线，各年关系线与历年线的偏离值为0。断颗多于或少于单颗一个粒径级测次占全年总测次中最小占比值为0%，无超过断颗多于或少于单颗一个粒径级测次占全年总测次30%的年份。

根据以上分析成果，按照《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）规定，得到以下优化方案：

（1）悬移质泥沙颗粒级配分析测验项目符合停间测要求，建议停测。

（2）当资料不满足使用要求或有其他需求时恢复测验项目。