黃河吳堡水文站泥沙測(cè)驗(yàn)方法研究

董福新，趙 梅，宋 婧，李欽隆

（黃委會(huì)中游水文水資源局,山西 晉中 030600）

1 懸移質(zhì)輸沙率含沙量測(cè)驗(yàn)分析

1.1 測(cè)驗(yàn)情況

1951—1955年，按當(dāng)時(shí)規(guī)定只在斷面內(nèi)布設(shè)3～5條垂線取樣，近似代表斷沙。從1956年開(kāi)始，按規(guī)定要求分別施測(cè)懸移質(zhì)輸沙率和單樣含沙量，建立單斷沙關(guān)系曲線推求斷沙。取樣儀器從1951年恢復(fù)觀測(cè)以后，歷年均采用橫式采樣器取樣。輸沙率測(cè)驗(yàn)，中低水以積點(diǎn)法為主，高水一般用0.5一點(diǎn)法或定比混合法。單樣含沙量除大洪水在水邊取樣外，一般均在主流邊固定垂線0.5一點(diǎn)法取樣。

1.2 含沙量的橫向分布及單樣取樣位置的分析

進(jìn)行含沙量橫向分布的分析，不僅可以合理地確定測(cè)沙垂線數(shù)目及垂線布置的位置，還可驗(yàn)證目前單樣取樣位置的代表性，進(jìn)而保證懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)的質(zhì)量。

這次分析引用1988—1992年不同水沙條件下30次實(shí)測(cè)輸沙率成果。把計(jì)算的垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的比值Csm/Cs，作為含沙量橫向分布的一個(gè)特征，從中可以發(fā)現(xiàn)：

1）含沙量愈小，在斷面上的分布愈不均勻，含沙量愈大愈趨均勻，在中高含沙水流時(shí)含沙量的橫向分布相對(duì)較均勻。即當(dāng)含沙量小于20 kg/m3時(shí)，Csm/Cs的變幅為0.60～1.50，含沙量在20～200 kg/m3時(shí)，Csm/Cs的變幅一般 0.80～1.15，當(dāng)含沙量在200 kg/m3以上時(shí)，Csm/Cs的變幅一般為0.95～1.05。由此可以得出，輸沙率測(cè)驗(yàn)垂線數(shù)目可隨含沙量的大小而確定，當(dāng)含沙量較小時(shí)可適當(dāng)增加取樣垂線數(shù)目，當(dāng)含沙量較大時(shí)可適當(dāng)減少取樣垂線數(shù)目。

2）除斷面平均含沙量小于30 kg/m3的測(cè)次外，Csm/Cs的比值在起點(diǎn)距330 m，380 m處接近于1，且各次橫向分布曲線相當(dāng)集中，是布設(shè)單沙取樣垂線的較好位置。

現(xiàn)對(duì)330 m，380 m處分別作為單樣取樣位置進(jìn)行誤差定量分析。分別建立單斷沙關(guān)系。發(fā)現(xiàn)單斷沙關(guān)系點(diǎn)均密集成一帶狀，通過(guò)點(diǎn)群中心可各定一接近45°直線，且有100%的測(cè)點(diǎn)在±10%的相對(duì)誤差內(nèi)。然后分別進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)計(jì)算，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，起點(diǎn)距330 m處的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為3.2%。380 m處的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為3.5%。根據(jù)規(guī)范中單樣取樣位置的分析規(guī)定，一類(lèi)站相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不應(yīng)大于7%。因此吳堡（二）站330 m處和380 m處，均可分別作為單樣取樣位置。

1.3 含沙量的垂直分布

對(duì)1981—1992年僅有的6次精測(cè)法試驗(yàn)資料進(jìn)行分析。從全沙樣相對(duì)水深與測(cè)點(diǎn)相對(duì)含沙量Csi/Csm的垂直分布和不同粒經(jīng)含沙量的垂直分布來(lái)看：

1）含沙量的垂線分布基本呈反s形狀，即上小下大的曲線形狀。

2）含沙量的變化梯度還隨含沙量的大小和顆粒粗細(xì)的不同而不同，從中還可以看出：含沙量愈小，變化梯度愈大，含沙量愈大，梯度變化愈小，垂直分布愈均勻，Csi/Csm的比值愈接近于1。顆粒越粗，梯度變化越大。細(xì)顆粒泥沙其梯度變化很小。

3）無(wú)論含沙量大小，相對(duì)位置0.6處的Csi/Csm值較接近于1。說(shuō)明相對(duì)水深0.6處的含沙量可近似代表垂線平均含沙量。

1.4 單斷沙關(guān)系分析

點(diǎn)繪1974—1992年綜合單、斷沙關(guān)系圖。關(guān)系點(diǎn)密集成一帶狀，通過(guò)點(diǎn)群中心可定45°關(guān)系線，且有95%以上的測(cè)點(diǎn)在相對(duì)誤差±10%以?xún)?nèi)。含沙量小于100 kg/m3時(shí)，關(guān)系點(diǎn)多數(shù)偏于45°線上側(cè)，點(diǎn)群密集，通過(guò)點(diǎn)群重心可定一單沙等于1.03斷沙的平均關(guān)系線，且有94%以上的測(cè)點(diǎn)在相對(duì)誤差±10%以?xún)?nèi)。通過(guò)上述單斷沙關(guān)系的分析，說(shuō)明該站含沙量大于100 kg/m3時(shí)，單沙代替斷沙具有較好的穩(wěn)定性和代表性。當(dāng)含沙量小于100 kg/m3時(shí)，單沙略偏大于斷沙。仍可按常規(guī)法用斜率系數(shù)予以資料整編。

1.5 輸沙率測(cè)驗(yàn)簡(jiǎn)化分析

根據(jù)該站1981—1987年30條垂線的五點(diǎn)法試驗(yàn)資料，改用三點(diǎn)法,二點(diǎn)法、0.6一點(diǎn)法，0.5一點(diǎn)法（根據(jù)垂線分布圖中內(nèi)插），定比混合法（2∶1∶1和1∶1等權(quán)混合法兩種）。分別進(jìn)行垂線平均含沙量計(jì)算，與原五點(diǎn)法計(jì)算數(shù)值相比較，統(tǒng)計(jì)其誤差，可以發(fā)現(xiàn)：

1）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差和 75%頻率誤差，三點(diǎn)法，2∶1∶1，1∶1，二點(diǎn)法均未超過(guò) 5%，三點(diǎn)法，2∶1∶1 法為最小。二點(diǎn)法，1∶1法精度也較高，唯0.6一點(diǎn)法和0.5一點(diǎn)法誤差較大。相對(duì)誤差大于5%的測(cè)次所占百分?jǐn)?shù)也是三點(diǎn)法及 2∶1∶1 法最小，1∶1 和二點(diǎn)法次之，0.6和0.5一點(diǎn)法比較大。這說(shuō)明三點(diǎn)法，2∶1∶1法，1∶1法二點(diǎn)法的代表性比0.6，0.5一點(diǎn)法好。

2）各種取樣方法的平均系統(tǒng)誤差均在－2.2～2.1范圍內(nèi)，2∶1∶1 法，0.5 一點(diǎn)法，二點(diǎn)法系統(tǒng)偏小，0.6一點(diǎn)法，1∶1混合法是系統(tǒng)偏大，三點(diǎn)法幾乎沒(méi)有系統(tǒng)誤差為最好。

根據(jù)以上資料的分析驗(yàn)證，除0.6一點(diǎn)法，0.5一點(diǎn)法稍超出了規(guī)定允許的范圍外，其它取樣方法的誤差基本在規(guī)定的允許誤差范圍內(nèi)，這說(shuō)明三點(diǎn)法，2∶1∶1 法，二點(diǎn)法，1∶1 法是符合客觀實(shí)際的。均可作為一般常規(guī)的取樣方法。

全斷面混合法輸沙率測(cè)驗(yàn)也是一種比較簡(jiǎn)便的測(cè)驗(yàn)方法。可該法在該站是否可行，曾對(duì)此法的方法原理進(jìn)行了分析論證，引用該站實(shí)測(cè)資料對(duì)等流中線法的具體途徑作了分析，對(duì)分析成果進(jìn)行了誤差驗(yàn)算，驗(yàn)算引用1989—1991年的實(shí)測(cè)輸沙率資料，通過(guò)一系列的分析統(tǒng)計(jì)其主要綜合技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

吳堡站實(shí)測(cè)輸沙率資料的單斷沙關(guān)系良好，推求的全斷面混合法單斷沙關(guān)系仍然良好，線型和斜率都和原關(guān)系線相同。通過(guò)上述分析論證，認(rèn)為該站采用全斷面混合法輸沙率測(cè)驗(yàn)是可行的，也可作為經(jīng)常性的測(cè)驗(yàn)方法。

2 結(jié)論與建議

1）斷面輸沙率測(cè)驗(yàn)，從目前的資料來(lái)看，有相當(dāng)一部分資料均系一點(diǎn)法施測(cè)，根據(jù)前面的分析論證，0.6或0.5一點(diǎn)法的測(cè)驗(yàn)法，誤差均超出了規(guī)定的允許誤差范圍。在今后的工作中，為了提高輸沙率測(cè)驗(yàn)和顆粒級(jí)配分析精度，盡量不采用一點(diǎn)法施測(cè)，由于現(xiàn)用取樣工具和設(shè)施條件限制，雖多點(diǎn)法精度較高。但客觀上不可能經(jīng)常使用，一般情況下，應(yīng)盡量采用三點(diǎn)法其次采用2∶1∶1或二點(diǎn)法施測(cè)。洪水時(shí)，為了縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，還可采用全斷面等流中線混合法施測(cè)。

2）單樣含沙量的測(cè)驗(yàn)和顆分取樣。通過(guò)前面的分析，采用一點(diǎn)法取樣是不符合新泥沙規(guī)范要求，在今后的工作中，單樣含沙量的測(cè)驗(yàn)和顆分取樣一定要嚴(yán)格按照新規(guī)范的要求執(zhí)行。

3）單樣含沙量取樣位置，經(jīng)分析論證，可以在斷面起點(diǎn)距330 m處或起點(diǎn)距380 m處取樣，此兩處的含沙量均能近似代表斷面平均含沙量。

4）泥沙測(cè)驗(yàn)儀器是直接影響測(cè)驗(yàn)精度的一個(gè)重要因素，目前該站一直沿用橫式采樣器取樣，但所取沙樣是瞬時(shí)的，易受泥沙脈動(dòng)影響，若條件許可時(shí)，應(yīng)盡快改進(jìn)和更新測(cè)驗(yàn)儀器，這是提高測(cè)驗(yàn)成果質(zhì)量的有效保證。