長江沙市水文站臨底沙測驗分析研究

吳立健 張太瓊 劉曉琴

（長江委水文局荊江?水文水資源勘測局，湖北荊州 434000）

長江沙市水文站臨底沙測驗分析研究

吳立健 張太瓊 劉曉琴

（長江委水文局荊江?水文水資源勘測局，湖北荊州 434000）

三峽水庫175m正常蓄水運用后，壩下游河床在相當長時段內處于沖刷狀態，研究了解河段的全沙輸移狀態有重要意義，因此，需要開展臨底沙測驗，分析常規測驗和臨底懸沙測驗成果的差異，了解全沙輸沙量情況，可以為研究三峽水庫建成后長江中下游河道沖淤量計算方法及河道演變發展趨勢提供科學依據。根據沙市水文站2011-2013年臨底沙實測資料，對照常規測驗方法和臨底沙多點法測驗的成果，分析兩者測驗之間的差異，總結臨底沙測驗成果的特性規律，發現常測法測量的含沙量比臨底多點法偏小，常規法測得年輸沙量明顯偏小，存在漏測情況。

沙市水文站 臨底沙測驗 分析差異 總結特性規律 年輸沙量 漏測

1 前言

三峽水庫175m正常蓄水運用后，壩下游河床在相當長時段內處于沖刷狀態。研究了解河段的全沙輸移狀態有重要意義，全沙包括推移質與懸移質，兩者相互聯系，即推移質泥沙運動變化對懸移質泥沙中臨底部分運動影響較大。因此，開展臨底沙測驗，分析常規測驗和臨底懸沙測驗成果的差異，研究全沙輸沙量情況，可以為研究三峽水庫建成后長江中下游河道沖淤及發展趨勢提供科學依據。

沙市站從2011年開始，比較全面系統的收集了臨底沙測驗資料，本文根據沙市站實測資料，對臨底沙規律進行初步研究。

2 測驗方法

2.1 測驗河段概況

沙市（二郎磯）站是國家基本水文站，一類精度水文站，位于三峽壩下208km湖北省荊州市沙市區二郎磯，集水面積1032033km2，為長江中游干流控制站。基本水尺位于沙市二郎磯，上游1300m處建有荊州長江公路大橋，左岸上游600m為觀音磯，右岸上游約10km有太平口分流入洞庭湖。

2.2 臨底沙測驗儀器

圖4.2.1 2011年10月14日

圖4.2.2 多點法垂線相對流速與相對水深多測次關系曲線

由于臨底懸沙測驗的特殊要求，既要能測到距床面上0.5m、0.1m處的含沙量，又要盡量減少采樣器對河床、水流的擾動，因此臨底懸沙采樣器選用雙管垂直連接型式，底部采樣器在鉛魚體內安裝，雙管可進行同步取樣，采樣器器蓋采用觸及河底立即關閉的結構型式，其他相對位置測點采用橫式采樣器。

2.3 測驗方法

流量采用走航式ADCP施測，各測點水深及流速從ADCP測驗資料中提取或按曲線公式計算，含沙量、懸顆測驗垂線按多線多點法布置，采用7點法，以河床為相對零點，測點位置分別為相對水深1.0、0.8、0.4、0.2、0.1、距床面0.5m、距床面0.1m。其中相對位置1.0、0.8、0.4、0.2、0.1處采用常規橫式采樣器取樣，而距距河底0.5m、0.1m處則用臨底懸沙采樣器取樣。每次在取懸移質含沙量水樣的同時，也同樣另取一套作為懸移質常規顆分水樣。

3 資料整理

3.1 幾個基本術語

圖4.3.1-1 臨底常規法垂線平均含沙量與臨底多點法垂線平均含沙量多測次關系曲線

圖4.3.1-2 臨底常規法斷面平均含沙量與臨底多點法斷面平均含沙量多測次關系曲線

（1）直算法：在水文測驗計算中，先直算流速、含沙量與顆粒級配的垂線平均值，然后再橫算斷面平均值的方法。（2）橫算法：將各實測垂線同一相對水深處的測點流速、含沙量和顆粒級配，分別采用面積加權、面積與流速兩者加權和面積、流速與含沙量三者加權進行橫向計算，得出可以代表斷面平均情況的概化垂線上各相對水深處的測點流速、含沙量和顆粒級配的計算方法。（3）常規法：水文站日常采用常規儀器，按常規布線布點進行的觀測。（4）臨底多點法：以臨底懸沙采樣器多線多點法測驗資料為基礎以直算法計算的值。（5）臨底常規法：以臨底多點法測驗資料為基礎采取抽樣的方法按常規法測點數以直算法計算的值。（6）概化垂線分布：以橫算法公式計算的斷面分層流速、含沙量、級配沿垂線的分布，其概化垂線平均即為斷面平均值。（7）概化成果：以臨底懸沙采樣器多點法測驗資料為基礎以橫算法計算的值。

圖4.3.2-1 2011年10月14日

圖4.3.2-2 臨底多點法垂線相對含沙量

表4.2.2 沙市站年輸沙量改正計算表

3.2 資料計算方法

對于多線7點法的測驗成果，除按規范規定的方法計算成果即常規成果外，還求出能代表斷面平均情況的流速、含沙量、級配、和各分組粒徑含沙量垂直分布，即概化垂線分布。

資料整理時，對斷面輸沙率，分別得出采用常規法的測點與多點法的測點的計算值，后者與前者的比值即為修正系數。對垂線輸沙率，則采用概化垂線測點分布，采用抽樣的方法，計算常規測點的成果，然后求出與多點法計算值的比值，即修正系數。另外計算懸沙中床沙質（大于0.1mm的沙粒）輸沙率修正系數。兩種方式均計算漏測率。

4 測驗成果分析

4.1 常規測驗方法與臨底多線多點測驗法的差異

為了解常規測驗方法是否存在漏測現象，將常規法測驗結果與臨底試驗所測的7點法選點計算的結果進行對照，沙市站常規法測驗結果與臨底多點法測驗結果相比：輸沙率和平均含沙量系統誤差分別為-1.7%和-1.7%，相對標準差分別為10.7%和11.2%，都是有時偏大，有時偏小，個別偏離達25%，均沒有明顯規律可循。

4.2 流速測驗成果分析

4.2.1 各測次兩種方法計算的垂線相對流速與相對水深對照

2011-2013年采用走航式ADCP測驗，從ADCP測驗資料中摘錄的2點法和7點法相應的流速，采用臨底常規法和多點法計算概化垂線平均流速，點繪各測次兩種方法計算的垂線相對流速與相對水深對照圖，見圖4.2.1。可以看出，臨底常規法由于測點較少在對斷面流速垂向分布描述上不如臨底多點法細致，但兩者規律一致。

4.2.2 臨底多點法垂線相對流速與相對水深關系

圖4.2.2為沙市站27個測次臨底多點法流速測驗成果繪出的垂線相對流速與相對水深多測次關系曲線。從數據點的分布來看，雖然各測次流量級有所差異，但同一相對水深層相對流速點位比較集中，各測次相對流速分布線型比較接近，相對流速在0.61-1.18之間變化，說明測驗期間沙市斷面相對流速沿水深分布關系比較穩定。綜合線的指數為0.155（1/6.4669），即斷面概化垂線流速分布系數為0.155。

4.3 含沙量測驗成果分析

4.3.1 含沙量大小

沙市站27個測次臨底多點法和臨底常規法計算得到的含沙量成果，并求出了兩種計算方法下含沙量的修正系數，從統計結果看出：臨底常規法與臨底多線多點法測驗的含沙量成果相對誤差較大。

圖4.3.1-1和圖4.3.1-2點繪了多測次臨底常規法和臨底多點法測得的垂線平均含沙量和斷面平均含沙量的相關關系，結果顯示兩種方法測得的成果相關性很好。

4.3.2 含沙量沿垂線分布

點繪臨底常規法與多線多點法垂線相對含沙量與相對水深的關系圖，見圖4.3.2-1，可以看出兩種測驗方法取得的成果基本反映出了含沙量垂線分布規律，但從臨底多線多點法含沙量沿水深分布圖上可以看出，在相對水深0.1至近河床0.1m處的含沙量明顯加大。

圖4.3.2-2為多測次臨底多線多點法垂線相對含沙量與相對水深的關系曲線圖，同一相對水深處測點較集中，但不如相對流速分布密集，尤其是近底部，各測次相對含沙量變化較大，全斷面的相對含沙量在0.275～13.9之間變化，河底以上0.1m處相對含沙量在1.17～13.9之間變化，擬合的概化綜合分布線型為乘冪型，冪指數為-0.561（1/-1.7823），即斷面概化含沙量分布公式為：

相對含沙量：CSη/CS=0.477η-0.561。

4.4 輸沙率測驗成果

4.4.1 臨底常規法與臨底多點法成果比較

沙市站臨底常規法和臨底多線多點法輸沙率計算的全斷面輸沙率最大相對誤差為22.8%，最小為2.7%，平均相對誤差為0.01%，平均修正系數為1.01；粒徑大于0.1mm部分輸沙率最大相對誤差為-25.1%，最小相對誤差為4.1%，平均相對誤差為-5.29%，平均修正系數為1.09。說明兩種計算方法中粒徑大于0.1mm部分的輸沙率相對誤差比全斷面輸沙率的相對誤差要大。

4.4.2 輸沙量改正計算

表4.4.2統計了沙市站2011-2013年輸沙量改正情況，，統計結果表明臨底常規法施測的輸沙量比臨底多線多點法施測的輸沙量要偏小。

5 結語

（1）常規法和臨底多點法得到斷面平均含沙量成果基本一致，從成果比較來看，兩種測驗方法得到的多測次斷面平均含沙量和垂線平均含沙量相關性良好，但常測法測量的含沙量偏小。（2）常規法測年輸沙量比臨底多線多點法施測的年輸沙量要小。因此開展臨底沙研究，對輸沙量法計算河道沖淤量，對研究河道演變等都有重要意義。