新江口水文站懸移質泥沙測驗方案優化研究

張莉 陶武亮 張孝軍 田岳明

摘要：為解決新江口站當前流量測驗次數少、泥沙測驗次數多，現有泥沙測驗方案測驗歷時長、勞動強度大，不利于搶測沙峰，不適應斷沙與流量異步測驗的問題，采用等部分流量全斷面混合法對現有測驗方案進行了優化，優化后的測驗方案可將原來的9線2點取樣精簡為5線2點取樣。結果表明，優化方案各項誤差均滿足要求，可投產應用。

關鍵詞：泥沙測驗;流量測驗;含沙量;懸移質;新江口水文站

中圖法分類號：TV149文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2019）01-0018-05

1 測站概況

新江口站始建于1954年2月，為荊江四口之松滋河（西支）主要控制站，測驗斷面距松滋口42 km，距松滋河東、西支分流的大口12.5 km。斷面上游約1.4 km有一座公路橋，大橋上游800 m處有一大彎道，斷面上下1 500 m范圍內較順直。測驗河段為S型，河槽為U型，中高水位主槽寬度約250～300 m。河床系細沙組成，斷面略有沖淤變化。斷面下游1.7 km新建一座公路橋，新橋下游1.8 km南岸有支流集松滋境內山區水流匯入松滋河（西支）。

新江口站歷年實測最低水位為 34.05 m，最小流量為0，最高水位為 46.18 m，最大流量為7 910 m3/s。每年5月1日至10月15日為汛期，其他月份為枯季;7～9月為主汛期，水量約占全年總水量的61.7%，1～4，11，12月枯季水量占全年的 8.2%。年均水位 36.62～38.84 m，年均流量 404～1 350 m3/s。歷年最大含沙量為13.4 kg/m3，三峽水庫蓄水運行后，2006年斷面平均含沙量明顯偏小，2005年以前年均含沙量為 0.920 kg/m3，2006年以后年均含沙量僅為 0.110 kg/m3。

2013年之前，新江口站測流測沙均采用船測法。為利于巡測工作開展，新江口站2012年新建了水文纜道，2013年進行了纜道與船測比測工作，2014年纜道測驗正式運行。水文纜道斷面位于基下24 m，船測斷面位于基下160 m，兩斷面距離較近。該河段自然形成，左右岸均有拋石護岸，斷面形狀一致，圖2（a）表示起點距0起算點在右岸，圖2（b）表示起點距0起算點在左岸。兩斷面受相同的水力因素影響，河槽控制基本一致，測驗的流量、輸沙資料為連續系列。

2 優化目的

為推進水文測驗方式方法技術創新，新江口站通過引進先進儀器設備、優化流量測驗方案逐步實現了駐測、巡測等相結合的管理模式[1-2]。新江口站按水位流量單值化布置流量測次、優化流量測驗方案后，流量測驗次數較少;但根據斷沙過程線法布置輸沙率測次，要控制住含沙量變化過程，斷沙測驗次數仍然較多，經常存在需要測沙而不需測流的情況。同時，水文纜道投入運用后，輸沙率測驗取樣采用積時式采樣器，每條測驗垂線取樣時必須先施測垂線平均流速，再計算取樣歷時;然后根據取樣歷時取樣，每線取一個水樣，纜道要來回運行多次，時間長、勞動強度大，不利于控制住含沙量變化過程和搶測沙峰。

因此，有必要對新江口站現有泥沙測驗方案進行優化。采用合理的全面混合法測驗方案，進一步精簡取樣垂線數量。盡可能在滿足規范要求的前提下，既能短歷時、高效率搶測沙峰，又能減輕工作強度，適應斷沙與流量異步測驗[3-4]。

3 測驗方案優化

根據歷年新江口站測驗大斷面變化分析，新江口站測驗斷面比較穩定，可采用等部分流量全斷面混合法進行懸移質輸沙率測驗，即按等部分流量中心布設垂線的方法，確定斷面等流中線起點距，根據實測垂線平均含沙量推算等流中線垂線平均含沙量。采用試算的方法從現有纜道測驗斷面中精簡取樣垂線數量，根據精簡后的垂線位置，采用相鄰等流中線的垂線平均含沙量來推算精簡后的取樣垂線處垂線平均含沙量。

3.1 方案優化依據

根據《河流懸移質泥沙測驗規范》（GB/T 50159-2015）要求，采用不同的懸移質輸沙率測驗方法測定斷面平均含沙量時，應符合部分流量加權原理。當部分面積不相等時，按部分面積的權重系數（即部分面積與總面積的比值）來分配各垂線的采樣歷時;再通過垂線混合法確定各測點的采樣歷時，取得的水樣混合處理，即得斷面平均含沙量。斷面輸沙率和斷面平均含沙量的計算公式為

因此，優化纜道泥沙測驗方案時，只要根據面積權重系數計算垂線取樣歷時，就可以得到符合部分流量加權原理的斷面平均含沙量，在先進行取樣垂線精簡的基礎上，采用積時式采樣器開展全斷面混合法輸沙率測驗。

3.2 優化分析

3.2.1 資料依據

優化分析所采用的資料為2003年三峽水庫蓄水后14 a輸沙率測驗資料，從各年的資料中選出含沙量大于 0.012 kg/m3的輸沙率，共80次（含沙量 0.012 kg/m3以下資料因量值較小不參與方案分析）。其中2003～2013年選點法資料29次，2014年16次，2015年13次，2016年22次;高水期（42.70 m以上）15次，中水期（42.70～39.50 m）46次，低水期（39.50～37.00 m）19次。

3.2.2 優化方案

分別采用全斷面混合法計算出8條、7條…5條垂線等方案相應斷面平均含沙量，并與原實測斷面平均含沙量進行比較，計算系統誤差及相對標準差。在滿足規范要求情況下，優選出精度較好且垂線數量較少的方案。

計算時，考慮到纜道測驗的時間較短，且2013年之前新江口站泥沙測驗為船測，為較好利用2013年前的測驗資料進行優化比選分析，需對2013年前的資料進行相應處理，通過插補計算出纜道測驗斷面成果。因船測斷面和纜道斷面僅相距136 m，受影響水力因素相同，河槽控制基本一致，可采用等部分流量全斷面混合法的原理，利用船測成果插補得出纜道測驗斷面的平均含沙量系列。具體方法為：分別根據船測斷面和纜道斷面的垂線布置，確定兩斷面等流中線起點距，根據船測實測垂線平均含沙量計算等流中線垂線平均含沙量;再由纜道測驗斷面精簡后垂線的起點距，找出對應船測斷面的相鄰等流中線，由相鄰等流中線的垂線平均含沙量插補得到對應纜道精簡后垂線的平均含沙量;然后再計算全斷面混合法平均含沙量。

對比采用精簡5線、6線、7線、8線的全斷面混合法計算的斷面平均含沙量與原實測斷面平均含沙量發現，各方案誤差均滿足規范允許值。因此最終采用精簡5線方案，其取樣垂線與原9線方案的取樣垂線對比。精簡后5條取樣垂線起點距分別為70.0，120，150，180，240 m，精簡5線全斷面混合法計算斷面含沙量成果與原實測值的誤差統計結果見表1。從誤差統計結果（見表2）可以看出，精簡5線方案相對標準差為 2.0%，隨機不確定度為 4.0%，系統誤差為-0.1%，各項誤差均滿足規范要求。

3.2.3 優化后測驗方案

根據以上分析結論，可以采用調壓積時式采樣器按5線2點全斷面混合法進行斷面平均含沙量測驗（5條取樣垂線的起點距分別為70.0，120，150，180，240 m），計算全斷面取樣總歷時T，各垂線取樣歷時由部分面積權重系數K值確定。全斷面取樣總歷時公式為

式中，T為全斷面取樣總歷時，s;V水為取樣器水樣倉有效容積，mL;a為取樣器進水管截面積，cm2;為斷面平均流速，cm/s，可采用實測斷面平均流速或根據實測水位再由水位流速關系查得斷面平均流速。

各垂線的取樣歷時權重系數計算公式為

根據2003～2016年80次實測數據，計算各精簡后5條取沙垂線的部分面積，再計算垂線部分面積權重，點繪水位-垂線部分面積權重，計算各取沙垂線部分面積平均權重系數（見表3）。

實際測驗時，首先根據式（6）計算的全斷面取樣總歷時，再根據表3中各取樣垂線平均權重系數，計算每條垂線的取樣歷時，各垂線按其取樣歷時取樣后，采用全斷面混合水樣計算斷面平均含沙量。

4 結 語

優化方案確定的斷面平均含沙量與原實測成果相比，相對標準差為 2.0%，隨機不確定度為 4.0%，系統誤差為-0.1%，均滿足《河流懸移質泥沙測驗規范》（GB50159-2015）的有關要求。新江口站可在纜道測驗斷面采用調壓積時式采樣器，按5線2點全斷面混合法進行斷面平均含沙量測驗，5線起點距分別為 70.0，120，150，180，240 m。精簡后的測驗方案既可以短歷時、高效率搶測沙峰，又能達到減輕工作強度的目的。

在對本方案進行優化分析時，考慮到2013年之前的資料為船測斷面成果，纜道斷面測驗時間相對較短。當新江口站采用新的測驗方案進行斷面平均含沙量測驗后，每年應在高中低水位級（也應考慮沙量級）布置3～5次9線2點垂線混合法測驗。應對新方案的測驗成果進行驗證分析，以確定方案的穩定性;若發現新測驗方案誤差不能滿足規范要求時，應立即恢復垂線混合法方案測驗，并重新優化分析全斷面混合法方案。

參考文獻：

[1] 王俊. 長江水文測驗方式方法技術創新的探索與實踐[J]. 水文， 2011， 31（S1）： 1-3.

[2] 劉東生，陳守榮，李海源，等. 長江水文測驗方式方法創新方案設計[J]. 水文， 2011， 31（S1）： 4-6.

[3] 黃夏坤，郝振純，羅惠先，等. 懸移質取樣垂線流量權重法測定斷面平均含沙量的應用研究[J]. 泥沙研究， 2009， 4（8）： 63-67.

[4] 丁紅堯，曾文錦. 城陵磯七里山站邊沙與單沙關系試驗研究[J]. 水利水電快報， 2016， 37（7）： 8-10.