水位落差方法在辽东山区水文站悬移质含沙量推算中的应用

孙建军

(辽宁省本溪山水文局，辽宁 本溪 117000)

河流悬移质含沙量是水文站点测验的主要项目，由于受到洪水涨落以及流量等综合因素的影响，其测验方式主要还是通过人工进行观测，很难实现悬移质含沙量的自动推求[1]。当前，随着遥测雨量和水位的逐步成熟，流量和含沙量的自动推求成为水文现代化规划关注的重要测验短板[2]。近些年来，对于河道流量自动测验的研究逐步开展起来，取得不少研究成果[3- 7]，这其中非接触高频雷达、ADCP等先进仪器逐步被应用，但由于这些仪器价格较高且操作步骤需要培训，全面应用难度较大。针对流量自动测验问题，一些长期工作与水文测验的技术人员，结合流量与水位落差的变化规律，提出采用水位落差方法，通过此次洪水涨率来实现水位流量关系的计算，从而结合水位来推求流量，最早在长江流域得到应用。多个应用结果表明该方法在山区河流具有一定的适用性[8]。在采用水位落差方法实现流量自动推求的主导思想下，有研究学者将水位落差方法应用到河流悬移质含沙量推算中[9- 11]。在一些站点的应用研究中，若果该站点悬移质含沙量和水位变化具有较好的相关性，采用此种方法计算精度较高，但是在河道冲淤变化较大的河流，由于水位变化和含沙量之间的相关关系不好，采用该方法应用精度不高。本溪地区位于辽宁的东部，属于山区，区域河流洪水陡涨陡落变化，河流悬移质含沙量与水位涨落变化具有较好的相关性，为此本文以本溪地区沙尖子水文站水文站点为实例，基于水位落差方法，结合水文站实测水文数据，建立悬移质含沙量和水位落差之间的相关关系，利用该相关关系实现不同水位落差点下悬移质含沙量的自动推求。

1 研究站点概况

沙尖子水文站位于桓仁县沙尖子镇金坑村，东经125°31′，北纬40°58′，始建于1939年9月，集水面积14863km2，为大河重要国家基本水文站。泥沙测验精度为二类。沙尖子水文站年含沙量一般在0.0～250.0g/m3之间。输沙量是指在一定时段内，通过断面的悬移质泥沙总量，它与含沙量和流量的大小密切相关。水文站年输沙量一般在0.0～160万t之间。

2 悬移质含沙量测验分析

2.1 测次的确定原则

水文站单样含沙量的测定按照GB 50159—2015《河道水文泥沙测验规范》相关规定，要尽量对整个含沙量的过程分布进行测次的布设，并且满足断面含沙量日平均以及输沙率分析的需求。沙尖子水文站站非汛期悬移质含沙量较低，可以适当减少含沙量的测验次数。在洪水涨落过程中可结合洪水水位变化适当增加含沙量的测验次数。

2.2 含沙量与水位落差的分析结果

结合沙尖子水文站2001—2019年水位实测数据对水位落差进行计算，以时间为横坐标，纵坐标为实测悬移质含沙量和水位落差变化过程。沙尖子水文站悬移质含沙量主要来源于上游，如图1所示。

图1 沙尖子水文站2017年悬移质含沙量与对应时段水位落差变化

沙尖子水文站悬移质含沙量主要来自于南太子河上游流域，南太子河流域河流悬移质含沙量对该站断面影响程度较低。沙尖子站汛期7—8月水位陡涨陡落，悬移质含沙量和水位落差关系较为稳定，站点场次洪水水位落差增加时断面悬移质含沙量逐步呈现递增趋势。本文以沙尖子站2017年为例，对其悬移质含沙量和水位落差的变化过程关系进行了分析，从图中可看出，水位落差总体在0.1～0.5m之间，悬移质含沙量的变幅在0.005～0.006kg/m3之间，断面悬移质含沙量随着水位落差的变化总体较为稳定，其中沙尖子站汛期7—8月悬移质含沙量与水位落差的相关性要明显好于非汛期。

2.3 含沙量与水位落差的相关分析结果

结合沙尖子站实测场次洪水的悬移质含沙量和统计的水位落差数据，分析了两者之间的相关性，如图2所示。

图2 沙尖子站水位落差和悬移质含沙量的相关性分析结果

由图2可知，水位在0.4～0.5m之间时，悬移质含沙量最大值出现在7月下旬，汛期悬移质含沙量最小值出现在7月上旬以及8月下旬，水位落差变化较小时，沙尖子站断面悬移质含沙量变化较大，悬移质含沙量随着水位落差变化而发生改变。汛期场次洪水水位落差和悬移质含沙量按时间可以分为2个阶段，第一个阶段为7月1—20日，这一时间段水位落差低于0.3m时，悬移质含沙量在趋势线附近分布，含沙量在0.02kg/m3以下，这一段水位落差和悬移质含沙量关系较为稳定，趋势线保持水平直线，当水位落差高于0.3m时，该站悬移质含沙量趋势变化指数递增，含沙量的变幅加大。第二个阶段为7月20日—8月31日，这一阶段主要进入河流主汛期，降水量增加，使得进入河流的水量和沙量都增加，水位落差变幅也逐步加大，当水位落差变幅高于0.4时，该站断面悬移质含沙量变化指数呈抛物线递增变化，逐步形成一个沙峰过程，沙尖子站测验断面悬移质含沙量逐步位于趋势线的上端，水位落差和悬移质含沙量变化趋势有一定的规律性。

2.4 测次误差统计

对含沙量与水位落差的相关性分析结果的基础上，对沙尖子水文站年最大悬移含沙量以及平均含沙量进行误差统计，结果见表1—2。

从沙尖子站不同悬移质泥沙测验方案下的误差对比结果可分析，采用新的测验方案后，其年尺度及日尺度含沙量及输沙率与传统测验方案下的误差均可在±20%以内，个别年份由于上游来水来沙量较小，使得其水位落差变幅较为不稳定，影响新测验方案下的悬移质含沙量的测验精度，但总体精度均可达到水文测验整编规范的误差低于±25%要求，这主要是因为沙尖子位于山区河流，且上游河流来水来沙对断面悬移质含沙量影响较小，此外沙尖子站属于浑江干流的控制站点，浑江属于山区型河流，河道内冲淤变化总体较小，水文站测验断面冲淤变化较小，使得其测验断面水位落差和悬移质含沙量具有较好的稳定关系。

2.5 精简测次效果分析

对采用不同测验方案下的本溪地区沙尖子站泥沙测验次数进行对比分析，结果见表3。

表1 沙尖子水文站不同测验方案年最大日平均输沙率及最大断面平均含沙量分析结果

表2 沙尖子水文站不同测验方案年平均含沙量与平均输沙率的变化

(续表)

表3 沙尖子水文站不同测验方案下的测验次数分析结果

从对比分析结果，采用新泥沙测验方案下，沙尖子站全年悬移质泥沙测验次数较传统方案明显减少，相比于传统测验方案，测验精简次数比例在55%以上，该站点传统悬移质泥沙测验方案下全年测验次数在52～96次，尤其是在发生场次洪水过程中，为分析沙峰变化，需要加密观测次数。采用新的测验方案后，在汛期前对水位落差与悬移质含沙量分析的基础上，结合水位观测数据，就可以对断面悬移质泥沙量进行推算，从而精简站点悬移质泥沙测验的次数。采用新的测验方案的有点在于可解决传统悬移质泥沙测验方式下泥沙测验采样较为盲目，场次洪水沙峰过程难以把控的局限，降低水文站点测验人员的劳动强度，提高测验时效性。

3 结语

本文通过水位落差方法，建立水文站悬移质含沙量和水位落差之间的相关关系，实现不同水位落差点下悬移质含沙量的自动推求。相比于传统测验方案，该方式可将沙尖子站悬移质泥沙测验精简次数比例达55%以上，总体精度可满足水文测验整编规范误差低于±25%要求。该方式适用于冲淤变化较小的山区型河流，对于断面冲淤变化较大的断面，由于很难保证水位落差和悬移质泥沙之间的稳定关系，测验误差较大。此外，在洪水高水期由于水位落差变幅较大，建议还需结合人工测验方式进行加密观测，从而保证沙峰过程的准确观测。