基于浊度仪法的熊岳地区含沙量精简分析

刘昊宗

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116021)

1 概述

随着水文测验先进技术的迅速发展，水文测验先进仪器也在许多流域得到推广和应用。现行的水文测验项目包括水位、流量、泥沙、降水量、蒸发及墒情等，其中降水、水位、蒸发已逐步实现自动观测[1]。近些年来，对于流量的自动监测得到不断发展，如ADCP[2]、电波雷达[3]等先进仪器已在国内许多流域得到应用[4- 8]。但对于泥沙自动测验的起步较晚，当前，浊度仪通过对河流水体浊度进行观测，建立浊度和含沙量关系，推求断面含沙量，在一些流域水文测站的含沙量测验中得到应用[9- 15]，表明了河流水体中的浊度和含沙量具有一定的相关性，当河流含沙量较低时，该仪器可监测断面含砂量，但是水体浊度较大时，很难建立浊度值和含沙量的相关关系，因此浊度仪的适用性不高。为探讨浊度仪在熊岳地区含沙量自动监测的适用性，本文采用对比观测试验方式，对浊度仪的适用性进行探讨。研究成果对熊岳地区河道含沙量测验方式的改革和创新具有一定参考意义。

2 测站概况

熊岳水文站位于辽河流域渤海岸水系熊岳河流上，属于辽宁熊岳镇的铁东街。该站集水面积为307km2，占总流域面积的58.2%，距河口距离11km。该站为熊岳河唯一控制站，负责水位、流量、泥沙、降水量、水质、土壤墒情等测验任务。单沙测验依托人工，采用固定一线方法进行测验，整编采用近似法。洪水主要来自上游及区间降雨所产生的径流。含沙量随主流摆动，在高洪水阶段其含沙量较大，在一般情况下，沙峰提前到达。该站Z～Q关系相对稳定，最大含沙量为48000g/m3，发生在1981年。

3 精度评价方法

3.1 精简方法

测量次数的布设根据能够控制的含沙量变化过程，且满足估算日均含沙量、输沙率的需要。在5—9月，水位或含沙量变化较大的沙峰过程，日测单样不少于2次，在沙峰峰值和含沙量变化的拐点处，应适当增加测次。选取2021年7—8月下旬熊岳站的60次含沙量进行分析。

3.2 精度评价指标

比较检验精度的3个评价指标分别是系统误差、随机不确定度和标准差，各指标的计算公式如下:

(1)系统误差

ΔN=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

(2)标准差

(2)

(3)随机不确定度

X′Cs=2se

(3)

XCs=X′Cs/2×1.15

(4)

4 精简分析结果

4.1 测沙垂线布置

选择熊岳站3个测验断面，分别是上比降断面、基本断面、下比降断面，各测验断面起点距范围见表1，并在3个断面的同一位置布置6条单沙垂线，见表2。

表1 对比观测断面起点距范围

表2 测沙垂线分布情况

4.2 转换方程分析

对不同测沙垂线建立浊度值和含沙量的相关方程，并将浊度仪推求的含沙量和传统人工观测的含沙量进行相关性分析，结果见表3。

在各测沙垂线相同位置进行同步对比观测，将浊度仪和人工监测的含沙量进行相关转换方程的率定。从率定分析结果可看出，对比观测分析时断面含沙量均低于0.3kg/m3，而此时熊岳水文站断面含沙量和浊度值具有较好的相关性，相关系数总体在0.45以上。通过各条测沙垂线含沙量和浊度值的转换率定公式即可以对断面的含沙量进行推求。

表3 浊度仪和含沙量转换率定公式分析结果

4.3 对比观测精度分析

根据以上数据分析，对含沙量进行了分析比较，并判定是否符合其精度要求，其结果见表4。

结合各测沙垂线建立的浊度仪和含沙量转换方程进行了6组对比观测试验，对采用浊度仪推求的断面含沙量和传统人工观测的含沙量进行精度的平度。根据GBT 50159—2015《河流悬移质泥沙测验规范》的要求，需要对符合、适线以及随机不确定度进行检验，并统计其标准差和系统误差，当符号试验值小于0.6时，为合格。从各组对比观测值可看出，符合检验值均在0.6以下，全部通过检验，符合要求。适线试验主要用于确定含沙量的垂线。当适线检验值在±1.0以内均可以通过适线检验，从各适线的测试值可以看出，适线检验值均在±1.0以内，达到免检和合格要求。从各组测沙垂线随机不确定度分析结果可看出，随机不确定度在1.17～1.63之间，表明各组测沙垂线含沙量和浊度仪推求的断面含沙量之间无系统偏差。从检验标准差可看出，6组对比观测试验采用浊度仪推求的断面含沙量和各测沙垂线含沙量之间的标准差低于15%，达到河流泥沙测验规范要求的20%的误差范围要求。从系统误差可看出，各测沙垂线系统误差低于±20%，满足系统误差的精度要求。

表4 熊岳水文站含沙量比测分析

5 结论

(1)熊岳水文站断面含沙量和浊度值具有较好的相关性，相关系数总体在0.45以上。通过建立各条测沙垂线的含沙量和浊度值的转换率定公式即可以对断面的含沙量进行推求。

(2)为能较好的建立含沙量和浊度的相关方程，建议在比测试验时将观测次数安排在10～20次左右，并均匀分布测沙垂线，一般对比观测的测沙垂线不少于5～6条。

(3)本文未探讨水体浊度值对于浊度仪观测精度的影响，在后续研究中还应重点探讨水体浊度值的适用范围。