石門站單沙及單顆取樣位置優化分析

匡永清，任 旺

（1. 常德水文水資源勘測中心，湖南 常德 415001； 2. 石門縣水文局，湖南 常德 415300）

1 概 述

石門站是澧水干流總控制站，設立于1980 年1 月1 日，位于石門縣楚江鎮東方橋路，東經111°23′，北緯29°37′，集水面積為15 307 km2，屬于國家基本站網中的重要水文站。主要觀測項目有：水位、水溫、流量、降水量、泥沙、水質分析，流量和泥沙測驗均屬一類精度站。

該站測驗河段順直長約2 km，基本斷面位于河段中部，主槽在右岸起點距279～330 m 之間，屬典型寬淺式河床，河床由砂礫石組成，兩岸為塊石護坡堤岸。斷面歷年變化較穩定，沖淤變化在±3%以內。上游約5 km處有石門三江口水電站（徑流式），中低水受電站出力的影響，水位變化頻繁；下游約15 km 處有臨澧青山水輪泵站（兼發電），電站出力對水位變化有影響，正常蓄水位形成的回水頂托至基本斷面以上。

受其影響，該站流量整編方法采用上游輔助水位與流速儀測流斷面流量建立相關關系，一般年份多為臨時線（高水合線，低水分叉），個別年份高水出現半邊繩套線。

歷年采用水文纜道測流、水文測船測流測沙；水面浮標法和ADCP 走航式作為中高水的應急方案。

2 泥沙測驗情況簡介

2.1 輸沙率測驗及整編

2.1.1 懸移質輸沙率測驗方法

自建站以來，石門站泥沙測驗設施主要是水文測船，測驗設備為橫式采樣器，測驗方法采用11 線的選點法、垂線混合法、全斷面混合法，其中全斷面混合法采用水面0.0 一點法施測，該方法主要是應對高洪水的泥沙測驗，適用在高水位級55.21 m 以上使用，測沙歷時一般在0.5～1.2 h。歷年懸移質輸沙率整編方法采用單斷沙關系整編。

2.1.2 任務要求

泥沙為一類精度站，按照《河流懸移質泥沙測驗規范》與任務書的要求，全年測次以準確定出單斷沙關系曲線為原則，全年應不少于15 次。

2.1.3 懸移質輸沙率資料整編

歷年懸移質輸沙率采用單斷沙關系整編。除1982年單、斷關系線為折線外（含沙量<0.9 kg/m3為1.12，含沙量≥0.9 kg/m3為1.02），其它年份均為直線關系。歷年采用單斷沙關系系數見表1。

表1 石門站歷年泥沙整編情況統計表

根據“湘水文測便字（2006）第18 號”文件批復，該站從2006 年起懸移質輸沙率執行校測3 年常測1 年方案，校測年份，每年布置4～6 個測次，測次分布在各級沙量級，校測期間單斷沙利用單斷沙關系綜合分析系數，采用分析值為0.991；2010 年和2014 年為常測年份，按規范及測站任務書布置測次。2015 年受上游水利工程江埡水庫、皂市水庫調蓄影響，采用綜合分析系數三線檢驗不合格，故根據實測點定線，單斷沙系數為0.961。基于2015 年測驗整編情況，加之2016 年測驗河段受石門縣城城區濱江路工程建設的影響，石門站懸移質輸沙率恢復常測，2016 年實測輸沙率測次為50 次（不含舍去點第4 次、第5 次），經優選當年單斷沙系數為0.953，各項誤差均在規范范圍內。

2.2 單斷顆測驗及整編

2.2.1 泥顆測驗方法及任務要求

在懸移質輸沙率實測過程中選擇部分測次作為斷顆資料分析，同時加測水溫。粒徑大小測驗方法為粒徑計法。

間測方案實施以前，每年斷顆次數不少于10 次，單顆次數不少于50 次的任務要求，并控制好單斷顆變化過程，利用當年實測點距定線。

間測方案實施后，期間采用單斷顆綜合線推求斷顆，單顆測次控制其變化過程，單顆次數不少于50 次，石門站1996 年以來泥顆整編情況見表2。

2.2.2 測站精度劃分

該站1980～1995 年屬泥沙顆粒分析一類精度站，1995 年“湘水文水資源質字（1995）第03 號文”改定為泥沙顆粒分析二類精度站。

2.2.3 間測方案實施過程

根據“湘水文保字（2001）第02 號”文件批復，從2001 年起泥沙顆粒分析斷顆實行間測，方案為間2 年測1 年，間測期間采用歷年單斷顆歷年綜合線整編。

為了將斷顆間測和斷沙校測的時間間隔調整一致，2009 年“湘水文辦（2009）23 號”文對“湘水文保字（2001）第02 號”文批復進行調整，新的批復為：從2009 年起泥沙顆粒分析斷顆實行間測，方案為實行間3 年測1 年，間測期間采用歷年單斷顆歷年綜合線整編。

2015 年“湘水文辦[2015]22 號”文，根據2006 年、

表2 石門站1996 年以來泥顆整編情況統計表

2010 年、2014 年3 年的實測斷顆校測結果來看，中數粒徑某粒徑沙重百分數均值逐年變大趨勢明顯，且2014 年超過許多，故原間測方案停止執行，從2015 年起泥沙顆粒分析斷顆恢復常測。

根據規范的要求，粗中細沙粒徑劃分標準：粗型（D50≥0.050 mm）、中型（0.025 mm

2.3 單沙位置及取樣方法

1996 年以前單沙取樣位置為起點距267 m，其后調整到起點距225 m，取樣方法：垂線混合法（0.2、0.8等歷時垂線混合），設備為橫式采樣器，采樣器容積2 000 mL。

2.4 外界因素影響

2.4.1 上游水利工程影響

20 世紀90 年代以來，澧水干流石門站以上已建成的水利水電工程有賀龍、八斗溪、漁潭、花巖、紅壁巖、茶庵、慈利城關、茶林河、三江口；支流溇水已建成的水利水電工程有江埡、關門巖、長潭河；支流渫水已建成的水利水電工程有張家渡、所街、中軍渡、皂市。對本站影響較大的水利工程主要有江埡、皂市大型水利樞紐及以及漁潭、三江口水電站等。

2.4.2 人為活動影響

2015 年11 月開始，石門縣澧水城區河段進行河道整治，整治范圍為澧水大橋以上至新街口水位站以下，該范圍屬于石門站水位流量關系的控制河段，距基本水尺斷面約300～2 500 m，河道整治方法是將原突出在河中的沙洲完全推平。河道整治工程在2016 年3 月中旬左右竣工。

3 分析理由

流域內水利工程的梯級開發，本站測驗斷面的水沙特性在上游三江口、江埡、皂市水庫建成后發生了明顯的變化，一是受水利工程攔蓄及調控（騰庫）影響，中低水位及漲水段含沙量明顯減少，高洪下高含沙量量值及出現頻次大幅降低；二是不同支流來水的泥顆粒徑不一；三是受石門縣城城區河段整治的影響，測驗特性發生了較大的變化（尤其是含沙量在斷面橫向分布上的變化），原測驗方案已經不再適用。具體表象是：從近3 年單斷沙關系整編系數來看，各年單斷沙關系呈逐年減小趨勢。2014 年采用綜合線整編，系統誤差達到了-1.1%，2015 年按綜合線系數整編，各項誤差超過規范值，采用當年實測點定線，單斷沙系數為0.961；2016 年恢復常測，采用當年實測點定線，實測單斷沙系數為0.953。從單斷沙關系系數變化趨勢來看，原定起點距225 m 單沙取樣位置已失去代表性；從單斷顆關系來看，2014 年、2015 年、2016 年不能利用綜合線整編，均采用當年實測點距定線整編。

鑒于石門縣城城區河段整治已經基本上趨于穩定和上述原因，本報告重新對單沙及單顆取樣位置進行分析，選擇最佳的單沙單顆取樣位置，滿足《河流懸移質泥沙測驗規范》GB/T 50159-2015 第4.1.1 的規定：單沙測驗方法宜使一類站單斷沙關系線的比例系數在0.95～1.05 之間。同時滿足第4.1.2 的規定：單樣兼作單顆分析水樣時，采樣方法應滿足代表斷面平均顆粒級配的要求。

方案分析與編制根據《河流懸移質泥沙測驗規范》GB/T 50159-2015（以下簡稱《規范》）。

4 方案優選分析

4.1 單沙取樣位置優選

4.1.1 資料樣本

基于上述原因，常德水文水資源勘測中心監測科根據2016 年前4 次實測資料進行了單樣取樣位置的分析，由于分析樣本系列不夠，在編制方案中既兼顧了原有的方案，同時也制定了應急預案，正式實施前上報湖南省水文水資源勘測局監測處，以確保2016 年泥沙及顆粒分析的定線整編。新方案從5 月14 日開始，單沙取樣位置在起點距225 m 的基礎上，另增加起點距120 m、195 m 兩條垂線的相應單沙的取樣，以收集完善后期樣本資料，流量及輸沙率測驗仍維護原有方案。

2016 年共施測52 次輸沙率測驗成果（含選點法1次，垂線混合法32 次，全斷面混合法19 次）；其中增加起點距120 m、195 m 相應單沙的輸沙率測次有48 次（含選點法1 次、垂線混合法29 次、全斷面混合法18 次）。

樣本系列中實測最高水位58.60 m，最低水位50.19 m，占歷年水位變幅的81.8%，實測最大斷沙為1.77 kg/m3（輸沙率測次：第43 次），其各起點距120 m、195 m、225 m 相應單樣含沙量分別為1.77 kg/m3、1.80 kg/m3、1.75 kg/m3，占系列實測最大單沙的73.9%，占歷年實測最大單樣含沙量10.2 kg/m3（1982 年6 月20日）的31.8%。

4.1.2 輸沙率單樣取樣位置優選規定

根據《規范》第8.2.3 條規定：

1）采用單斷沙關系的站，單沙測驗方法應能使單斷沙關系保持穩定。在取得30 次以上的各種水流條件下的輸沙率資料后，應進行單沙測驗方法和測驗位置分析。在每年的資料整編過程中，應對單沙測驗方法和測驗位置進行檢查、分析。

2）斷面比較穩定，主流擺動不大的站，應選擇若干次能代表各級水位、各級含沙量的輸沙率的資料，繪制垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的比值（Csm/Cs）橫向分布圖，在圖上選擇Csm/Cs 值最集中，且等于1處，確定1 條或2 條垂線，作為單沙測驗位置，由此建立單斷沙關系曲線，進行統計分析，一類站相對隨機不確定度不應大于14%，二、三類不應大于20%。

本報告通過單沙取樣位置優選法和實測單斷沙關系檢驗來確定最優的單沙取樣位置。

4.1.3 單沙取樣位置優選法

根據《規范》規定，對2016 年已收集到的33 次垂線混合法輸沙率測驗資料（1 次選點法不做垂線混合處理），利用各垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的關系進行優化，采用平均比值法、相關系數法、回歸系數法三種不同方法進行優選，滿足規范垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的比值最集中，且等于1 處，選擇最優單沙取樣垂線位置。

1）采用平均比值法：利用各垂線平均含沙量與斷面平均含沙量之比的平均值，其均值最接近1 的所在垂線為最優。在方案分析中第1 條垂線和第11 條垂線屬于轉移垂線，不固定，不參與分析。成果見表3。

表3 分析系數統計表

2）采用相關系數法：相關系數γ 是用來衡量隨機變量Y 與X 之間線形關系程度是否密切的一個統計量，即斷面平均含沙量與各條垂線平均含沙量的關系程度。根據《水文統計原理》（黃振平編著）所提供的公式（8-27）：

式中 xi——第i 次的自變量，即第i 次斷面平均含沙量（m/s）；

yi——第i 次的因變量，即第i 次垂線平均含沙量（m/s）；

x——自變量的均值，即i 次斷面平均含沙量的均值（m/s）；

y——因變量的均值，即i 次垂線平均含沙量的均值（m/s）。

為了計算簡捷，仍采用計算機Excel 2003 數據分析的相關系數分析，分析結果見表3，相關系數γ 越接近1，說明兩相關變量相關性越好。

3）采用回歸系數法：為了計算簡捷，仍采用計算機Excel 2003 數據分析的線型回歸分析，選擇截距為0，置信度為95%，所定系數就是兩者關系系數。分析結果見表3，回歸系數越接近1，說明單斷沙相關性越好。

通過以上三種方法對比分析優選來看，160 m 優于120 m，120 m 優于279 m，195 m 優于225 m，225 m處的為所有垂線最差單樣位置，160 m 系數均是最優，系數也接近1。詳見表4。

表4 分析系數優選垂線統計表

4.1.4 實測單斷沙關系檢驗

根據《水文資料整編規范》SL 247-2012，用單斷沙關系直線法，分別對起點距120 m、160 m、195 m、225 m的單沙取樣位置進行單斷沙定線，并進行定線精度和三線檢驗來確定是否滿足要求。需要說明的是，由于160 m 處沒有施測起止時間的相應單沙，根據《規范》3.6.3“相應單樣的取樣次數，在水情平穩時取一次，有緩慢變化時，應在輸沙率測驗的開始和終了各取一次，水沙變化劇烈時，應增加取樣次數，并控制轉折變化”。將160 m 既做斷沙也兼做單沙，進行定線和檢驗。不同單沙取樣位置檢驗結果見表5、圖1～圖4。

表5 三線檢驗統計表

圖1 起點距120 m 單斷沙關系圖

圖2 起點距160 m 垂線平均含沙量與斷面平均含沙量關系圖

圖3 起點距195 m 單斷沙關系圖

圖4 起點距225 m 單斷沙關系圖

上述分析表明，起點距195 m、225 m 單沙取樣位置的單斷沙關系系數雖在規范值0.95～1.05 范圍內，但定線精度不符合規范“一類站相對隨機不確定度不應大于14%”的要求；起點距120 m、160 m 單樣取樣位置的單斷沙關系三線檢驗及定線精度均滿足要求，但從單沙取樣位置的單斷沙關系系數來看，160 m（K=1.000）優于120 m（K=1.018）。

綜合單沙取樣位置優選法和實測單斷沙關系檢驗兩種結果，起點距160 m 單樣取樣位置代表性最佳。

4.2 單顆取樣位置優選

4.2.1 資料樣本

2016 年共施測斷顆25 次，相應單顆采用起點距225 m，考慮到河段整治帶來的水沙特性變化，以及與輸沙率測驗方案一致，增加起點距120 m、195 m 兩處的單顆取樣，共收集樣本資料22 次。其中有4 次斷顆資料因分析時間超過1 個月，不能參與整編，加之資料整編中舍去的3 次測量誤差較大測次，參與整編實際測次為15 次。

4.2.2 單顆取樣位置優選

參照《規范》第3.6.1 條，第3 款規定“兼作顆粒分析的輸沙率測次，應同時觀測水溫。當單沙采樣方法與單顆采樣方法相同時，可用相應單樣作顆粒分析；不同時，應另取水樣作顆粒分析”。

參照《規范》第8.2.3 條規定“采用單斷沙關系的站，在取得30 次以上的各種水流條件下的輸沙率資料后，應進行單沙測驗方法和測驗位置分析”。

將全年25 次單斷顆測次參與優選分析，并參照以上分析方法，將9 條相應垂線顆粒作為實測單顆小于某粒徑沙重百分數，與實測斷顆小于某粒徑沙重百分數建立相關關系得出：起點距279 m 處為最優，其次是160 m 處。從回歸系數來看，起點距160 m 處為最優，330 m 次之。優選結果見表6。綜合上述分析結論，起點距160 m 處為最優。

4.2.3 實測單斷顆關系檢驗

將起點距120 m、160 m、195 m、225 m 實測相應單顆與斷顆定線，并進行定線精度和三線檢驗來確定是否滿足要求。需要說明的是，由于160 m 處沒有施測起止時間的相應單沙，根據《規范》3.6.3“相應單樣的測驗次數，在水情平穩時一次，有緩慢變化時，應在輸沙率測驗的開始、終了各測1 次，水沙變化劇烈時應增加測驗次數，并控制轉折變化”。將160 m 既做斷顆也兼做單顆，進行定線和檢驗。不同單顆取樣位置檢驗結果見表7、圖5～圖8。

表6 垂線優選順序表

表7 三線檢驗統計表

圖5 起點距120 m 處單斷顆關系圖

圖6 起點距160 m 處單斷顆關系圖

圖7 起點距195 m 處單斷顆關系圖

圖8 起點距225 m 處單斷顆關系圖

通過定線精度和三線檢驗，起點距120 m 的單顆取樣位置三線檢驗不符合要求；160 m、195 m、225 m 的單顆取樣位置的定線精度均滿足不確定度及系統誤差應分別控制在18%、±5%范圍內的要求。其中，160 m 處系統誤差最小。

綜合單顆取樣位置優選和實測單斷顆關系檢驗2種結果，起點距160 m 單顆取樣位置代表性最佳。

5 分析結論與建議

5.1 分析結論

根據以上分析，受石門城區澧水河段整治及上游水利工程的綜合影響，該站水沙特性隨之發生了較為明顯的變化，原起點距225 m 處單樣取樣位置逐漸失去了代表性，從而影響單斷沙關系和單斷顆關系建立，鑒于此，起點距225 m 不能作為單樣及單顆取樣位置，需要重新分析確定單樣取樣位置。經分析結論如下：單沙取樣位置：起點距160 m 處代表性最佳。單顆取樣位置：起點距160 m 處代表性最佳。綜上兩方面結論，起點距160 m 處為單沙及單顆取樣位置。

5.2 建 議

根據上述分析結論，雖然起點距160 m 處的取樣位置沒有起止時間相應的單沙、單顆實測資料，但將所在垂線既做斷沙又兼作單沙（既做斷顆又兼作單顆）的方法仍然符合《規范》第8.2.3 條的要求，且取樣位置代表性最佳，建議將單沙、單顆的取樣位置調整為起點距160 m 處。