鞍山地區(qū)含沙量比測定線研究

郭 峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

1 概述

含沙量在線自動監(jiān)測是當(dāng)前水文現(xiàn)代化監(jiān)測的主要方向[1]。近些年來，一些含沙量自動在線監(jiān)測系統(tǒng)逐步在國內(nèi)許多水文站點得到具體應(yīng)用[2- 6]，但應(yīng)用效果總體不佳，主要是因為其主要通過單沙關(guān)系來確定含沙量測定的參數(shù)，而大都數(shù)河流其斷面單沙關(guān)系較差，使得其自動監(jiān)測的精度較低。從2010年以來，一種用于測定水體中固體物質(zhì)的濁度儀[7- 11]逐步在水文站點含沙量自動在線監(jiān)測中得到應(yīng)用，由于其可以通過比測定線的方式對河道斷面單沙關(guān)系進行分析，擬合斷面單沙關(guān)系后，利用該斷面單沙關(guān)系推求斷面含沙量，從而實現(xiàn)斷面含沙量的自動監(jiān)測。為實現(xiàn)鞍山地區(qū)河流斷面含沙量的自動推求，本文結(jié)合比測定線方式，對鞍山地區(qū)河流斷面單沙關(guān)系，通過斷面單沙關(guān)系，率定當(dāng)前在其他流域應(yīng)用較為成熟的OBS- 3A濁度儀[12- 15]的參數(shù)，研究成果對于遼寧其他地區(qū)含沙量自動監(jiān)測具有重要的參考價值。

2 比測定線精度評價方法

在比測定線分析時，首先需要對比測定線的精度進行評價，本文主要對其系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差以及隨機不確定度進行分析，各評價指標(biāo)的計算方程分別為：

(1)系統(tǒng)誤差

ΔN=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

(2)標(biāo)準(zhǔn)差

(2)

(3)隨機不確定度

X′Cs=2se

(3)

XCs=X′Cs/2*1.15

(4)

式中，ΔN—定線系統(tǒng)誤差；Csi—第i次計算含沙量，g/m3；Csci—第i次實測含沙量，g/m3；n—測點總數(shù)，個；Se—實測點標(biāo)準(zhǔn)差；X′Cs—置信水平為95%的隨機不確定度；XCs—置信水平為75%的隨機不確定度。

3 比測定線結(jié)果

3.1 測驗斷面布置

在試驗斷面上布設(shè)7條取沙垂線，取沙垂線的具體位置見表1—2。

表1 各斷面起點距范圍

3.2 OBS濁度值與含沙量關(guān)系的率定

將浮標(biāo)上的OBS取下并與橫式采樣器捆綁在一起，在采集水樣的同時記錄OBS濁度值，以水樣的室內(nèi)分析成果作為標(biāo)準(zhǔn)值(或稱真值)，將其

圖1 各垂線組合下浮標(biāo)水樣含沙量與OBS濁度值率定關(guān)系圖

表2 斷面取沙垂線位置表

與OBS濁度值建立一一對應(yīng)的相關(guān)關(guān)系，并刪除標(biāo)準(zhǔn)化殘差在(-2，2)區(qū)間之外的測點如圖1所示。由此得出OBS濁度值與含沙量關(guān)系的率定公式，結(jié)果見表3。

從各垂線組合分析結(jié)果可看出，各浮標(biāo)水樣含沙量與OBS濁度值均具有一定的相關(guān)性，各垂線組合下其相關(guān)系數(shù)總體在0.63～0.72，表明各標(biāo)水樣含沙量與OBS濁度值具有一定的相關(guān)性，通過其擬合關(guān)系可以建立各浮標(biāo)水樣垂線組合下的含沙

表3 各垂線含沙量率定公式

量率定關(guān)系，結(jié)合該率定關(guān)系可以推算不同斷面的含沙量，并建立其和OBS- 3A濁度儀之間的參數(shù)關(guān)系，通過該參數(shù)關(guān)系方程可以實現(xiàn)斷面含沙量和OBS濁度值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用該轉(zhuǎn)換關(guān)系可以結(jié)合OBS- 3A濁度儀測定的斷面濁度值來推求斷面的含沙量。

3.3 浮標(biāo)垂線平均含沙量計算

根據(jù)以上推導(dǎo)出的各浮標(biāo)率定公式，將OBS濁度值計算出測點含沙量，然后用連時序法在PDT模塊中將ADCP聲散射強度計算成垂線平均含沙量。在計算時，以2小時分段，如計算12∶00的成果，采用11∶00、11∶30、12∶00、12∶30、13∶00的同層單點含沙量數(shù)據(jù)進行計算。利用浮標(biāo)垂線平均含沙量和實測斷面平均含沙量計算出組合含沙量，在定線過程中，對標(biāo)準(zhǔn)化殘差在(-2，2)區(qū)間之外的測點進行了刪除。相關(guān)分析結(jié)果如圖2所示。

從圖中可以看出，利用前面導(dǎo)出的各浮標(biāo)率定公式，將OBS濁度值計算出測點含沙量，并建立各垂線組合下含沙量與比測斷面平均含沙量的相關(guān)圖，從圖中可以看出，各垂線組合下其應(yīng)用OBS濁度值計算的含沙量和實際測定的斷面平均含沙量的相關(guān)度較為集中，表明各比測斷面的單斷沙關(guān)系較好，這主要因為鞍山地區(qū)位于遼寧的南部地區(qū)，其河道水沙關(guān)系較好，區(qū)域水土流失量較低，使得其斷面單沙關(guān)系較好，從另一個層面也可以看出，其河道OBS濁度值也較低，使得其對固體泥沙顆粒的反射較好，因此OBS- 3A濁度儀在鞍山地區(qū)河流自動測定具有一定的前景。

3.4 單斷沙比測定線精度分析結(jié)果

在其斷面含沙量和計算含沙量分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合各垂線組合下單斷沙的測定結(jié)果，對其含沙量率定公式進行精度的比對，精度比對分析結(jié)果見表4。

參照SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》中關(guān)于懸移質(zhì)泥沙關(guān)系曲線法定線精度指標(biāo)規(guī)定，各垂線組合與斷面含沙量關(guān)系曲線的系統(tǒng)誤差均達到了一類精度水文站的要求，其中，1浮+2浮+3浮+4浮組合的系統(tǒng)誤差最小，為0；95%隨機不確定度在9.0%～21.1%的范圍內(nèi)，均達到了三類精

圖2 各垂線組合含沙量與斷面平均含沙量線性相關(guān)圖

表4 各種垂線組合與實測斷面含沙量關(guān)系曲線精度及曲線檢驗

圖3 各垂線組合含沙量與實測斷面含沙量過程線

度的水文站要求，其中，S1組合等11個垂線組合達到了一類精度的水文站要求。各組合的偏差在-26.6%～23.7%的范圍內(nèi)。各組合下的相關(guān)關(guān)系線均通過了偏離數(shù)值檢驗和線性相關(guān)關(guān)系檢驗，實測斷面含沙量與組合含沙量的相關(guān)關(guān)系較為密切，相關(guān)系數(shù)R均在0.82以上，其中絕大部分相關(guān)系數(shù)R在0.90以上；除S2組合外，其余組合均通過了符號檢驗；組合通過了適線檢驗，其余各組合未通過適線檢驗，存在著系統(tǒng)誤差。

3.5 比測期間含沙量變化過程

點繪比測期間各垂線組合含沙量與實測斷面含沙量過程線，如圖3所示。

在比測期間，對各垂線組合下的含沙量和實測斷面含沙量的過程進行的比測分析，從比測分析結(jié)果可看出，計算的各垂線組合含沙量和實測斷面含沙量在測定過程中吻合度較高，采用擬合系數(shù)對各垂線組合下的利用OBS濁度值計算的含沙量和實測斷面含沙量的擬合系數(shù)均在0.6以上，過程吻合度較高，這主要和鞍山地區(qū)河流特性有關(guān)，鞍山地區(qū)河流斷面單沙關(guān)系總體相關(guān)性較高，使得其OBS濁度值推算的含沙量值和斷面實測含沙量的吻合度較高，因此可以通過率定的OBS濁度值與含沙量關(guān)系方程來推求斷面的含沙量，實現(xiàn)含沙量的自動在線監(jiān)測。

4 比測結(jié)論

(1)從比測定線分析結(jié)果可看出，只要布設(shè)的斷面位置，垂線組合方式以及OBS- 3A濁度儀頻率設(shè)置合理，可以得到較好精度的斷面單沙關(guān)系，一般推薦距起點距范圍在45～75m之間，布設(shè)4條取沙垂線組合，頻率設(shè)置為5MHz。

(2)本文給出了不同垂線組合下OBS濁度值與含沙量關(guān)系的率定方程，可為其他地區(qū)河流采用OBS濁度值反推斷面含沙量提高重要的參考價值，具有一定的應(yīng)用前景。

(3)本文只針對高濁度下河流斷面含沙量單沙關(guān)系進行分析，但對其他低濁度下河流單沙關(guān)系的適用性還未進行相關(guān)探討，在以后研究中還需要囊括這類型河流進行分析。