前烟台水文站悬移质输沙率间测分析研究

郭 浩

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

前烟台水文站洪水主要来源于上游降雨产流，低水期其水位流量关系曲线受河道冲淤变化较小使得总体呈现单一线型。中、高水受下游太子河河水顶托及洪水涨落影响，呈多条曲线[1]。前烟台水文站建站以来最大断面含沙量发生在2010年，断面含沙量采用单断关系法推求，实测单样含沙量为15.1kg/m3，单断沙关系系数1.0000，推求断面含沙量15.1kg/m3，实测断沙变幅占年推求断沙变幅41.2%[2]。每次较大洪水过程时，前烟台水文站不少于3次，洪峰重叠、水沙峰不一致或含沙量变化剧烈时，逐步增加测次。汛期平水期，需要2～5d测验一次，非汛期平水期，含沙量变化平缓时，需要5～10d测验一次，含沙量变化较大时需增加测次。近些年来，随着水文现代化的逐步实施，国内流量测验效率得到明显提升[3-8]，但对于泥沙测验效率提升措施和手段还相对较少。国内关于水文悬移质输沙率自动测定的研究取得一定的成果[9-15]，但由于不同河流的悬移质泥沙组成的复杂性，其自动测定精度不高。通过综合比对，采取悬移质输沙率间测方式，减少测次是目前提高泥沙测验效率较为行之有效的一种方式。为提高水文站悬移质输沙率测验效率，以前烟台水文站为实例，对其悬移质输沙率间测分析误差进行分析，提出输沙率间测方案。研究成果对于水文站悬移质输沙率测验方式的改进具有参考价值。

1 资料的选用与分析

1.1 分析资料的选用

根据GB 50159—2015《河流悬移质泥沙测验规范》三类泥沙精度的站悬移质输沙率间测分析条件和方法要求，本次分析选用了前烟台水文站临近2012—2021年实测输沙率成果、共151组单断沙数据，分析最高水位19.53m以下、最大断面含沙量13.1kg/m3以下多年单断沙关系规律进行分析，多年含沙量统计表见表1。

表1 多年含沙量特征值统计表

表2 2012—2021年单断沙关系系数统计表

2012—2021年各年单断沙关系系数均采用1.0000，推求最大断面含沙量值为13.1kg/m3，建站以来最大断面含沙量15.1kg/m3，采用单断关系线法推求，单断沙系数1.0000推求，近10年含沙量变幅占历年变幅86.8%，符合《河流悬移质泥沙测验规范》实测断面平均含沙量变幅占历年(近10年)变幅70%以上时可实行间测的规范要求。前烟台水文站建站以来最高水位21.26m，最低水位15.23m。近10年的最高水位为19.53m，水位变幅占历年水位变幅91.9%符合《河流悬移质泥沙测验规范》中水位变幅占历年水位变幅的80%以上时，可实行间测的规范要求。

1.2 各年单断沙关系分析

前烟台水文站每年悬移质输沙率的测次均不少于12次，均匀分布各级水位，洪水期分布较多。将2012—2021各年实测断沙通和相应单沙数据点绘在坐标纸上，通过原点(0，0)绘出一条直线且直线与纵、横坐标轴夹角均为45°(直线斜率为1.0000)，并对单断沙直线进行3种检验，检验结果均符合误差要求。泥沙资料整编时，单断系数均采用1.0000。通过散点图软件绘制单断沙直线，自动添加直线公式可计算出系数。单断沙关系系数统计表见2。

1.3 历年单断沙关系分析

将2012—2021年的所有实测断沙和相应单沙数据点绘在同一张图上，通过原点(0，0)绘出一条直线且直线与纵、横坐标轴夹角均为45°(直线斜率为1.0000)作为历年综合单断沙关系线，采用3种检验方法对单断沙关系线进行检验，3种检验均符合泥沙定线精度要求，悬移质泥沙关系曲线法定线精度指标见表3。

表3 前烟台水文站历年综合单沙—断沙关系曲线检验成果

从前烟台水文站历年综合单沙—断沙关系曲线检验成果中可以看出定线随机不确定度17.0%≤28%、系统误差为-0.6%≤±3%，符合《水文资料整编规范》规定的精度要求，定线精度符合要求。

2 输沙率间测误差检验

历年综合单断沙关系采用实测的含沙量单沙测验成果和悬移质输沙率历年值进行综合得到，最大历年综合单断沙关系曲偏差控制在±5%以内后可对悬移质输沙率采用间测方式进行测验，采用历年综合线对单沙含沙量进行间测期间的资料整编。

2.1 各年关系线系数与综合线系数分析

对前烟台水文站2012—2021年单断沙关系线与历年综合单断沙关系线系数进行误差分析。采用整编程序，分别计算近10年单断沙系数，各年断沙等于单沙乘以系数K(2012—2021)。断沙计算公式：C断(2012—2021)=K(2012—2021)×C单；C断(历年)=C单。各年单断系数与历年综合单断沙系数误差值(K(2012—2021)-1)%计算结果见表4。

表4 各年单断沙线系数与历年综合单断沙线系数统计表

根据分析，所得的综合单断沙关系系数与各年单断沙关系推算系数相比，其最大相对误差为2%。

2.2 关系线误差检验

通过各年单断沙数据与历年综合单断沙数据进行t检验。根据《水文资料整编规范》(SL/T 247—2020)规定要求，显著水平a值采用0.05，临界值采用1.96，经过检验结果可以看出，各年单断沙关系样本均属于历年单断沙关系系列，检验结果均通过假设，检验结果见表5。

表5 各年单断沙关系线与综合单断沙关系线t检验表

通过分析，各年关系线相对偏离值均在±5.0%以内。符合《河流悬移质泥沙测验规范》精度要求。间测方案可为停4年测1年，间测期间在基本断面148.0m相对水深0.6或0.5位置处取单样含沙量；检测年份每年检测输沙率不少于3次，均匀布设测次；采用历年综合单断沙关系线进行资料整编时，间测期间的施测年份悬移质输沙率监测频次及测次布设应满足GB/T 50159—2015《河流悬移质泥沙测验规范》的要求，测次不少于12次，采用当年单断沙关系线进行资料整编时，断面含沙量在间测期间高于13.1kg/m3时，且水位在19.50m以上后应恢复常规悬移质输沙率测验方式，此外测沙断面受人类活动影响变化较为明显时候，也应重新对悬移质输沙率间测方式的可行性重新进行误差评估。

3 结论

(1)当实测断面平均含沙量及水位变幅分别超过70%和80%时，可采用间测方式来提高悬移质输沙率测验效率。

(2)历年综合单断沙关系线可采用实测单沙测验成果和悬移质输沙率历年值进行综合，最大历年综合单断沙关系曲偏差应控制在±5%以内，间测期间可采用历年综合线对单沙进行资料整编。

(3)测沙断面受人类活动影响变化较为明显时候，也应重新对悬移质输沙率间测方式的可行性重新进行误差评估，保证输沙率测验精度。