彰武水文站測沙垂線精簡分析探討

王晶娥

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

柳河屬于遼寧省典型的多沙河流，河流實測最大含沙量為1580kg/m3，素有“第二黃河”之稱[1]。彰武水文站為柳河中游主要控制站點，為準(zhǔn)確把握含沙量的變化過程，需要對其含沙量的變化進行準(zhǔn)確把控[2]。按照河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范要求，當(dāng)河面寬度>100m需要設(shè)置15-30條測沙垂線[3]。由于彰武水文站河面寬度>100m，傳統(tǒng)含沙量測驗時一般需要設(shè)置15條測沙垂線，這樣使得水文站含沙量測驗的任務(wù)較重，且水文站泥沙測驗精度為二類，為保障泥沙測驗的精度，彰武水文站一次泥沙測驗需要耗費人力和物力均較大[4]。近年來，為提高泥沙測驗效率，降低水文工作者的勞動強度，許多流域水文測站均開展過測沙垂線的精簡分析。通過對比觀測試驗分析精簡組合后的測沙垂線方式也可滿足河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范要求。為此文章以彰武水文站為具體實例，通過比測試驗的方式，探討測沙垂線組合后的泥沙測驗精度。研究成果對于阜新地區(qū)含沙量測驗方式創(chuàng)新具有參考價值。

1 測站概況

彰武水文站地理位置為E122°30′32″，N42°21′54″。測驗河段順直長約2000m，河心有沙灘，枯水形成分流，流心擺動不定，洪水時比降大、淤柴多、含沙量大，最大河寬443m。基本水尺斷面上游430m處有建站前修建的鐵路橋一座。兩岸土堤，河床為細(xì)沙組成，洪水時漲沖落淤。河床變化較大。流量測驗精度為二類，泥沙測驗精度為二類。彰武水文站多年斷面平均含沙量為13.6kg/m3，歷年斷面最大含沙量1969年266kg/m3。2019年最大斷面平均含沙量為19.5kg/m3，最小斷面平均含沙量為0kg/m3，本年平均含沙量為3.31kg/m3。

2 精度評價方法

2.1 精簡方法

測沙垂線的精簡方法主要是通過測沙垂線組合的方式，建立不同垂線精簡組合下的含沙量相關(guān)方程，在相關(guān)方程檢驗的基礎(chǔ)上，提出最優(yōu)的測沙垂線精簡組合方式，并采用傳統(tǒng)測沙垂線布設(shè)方式下測定的含沙量進行誤差對比，分析精簡后的含沙量測驗精度是否滿足河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范要求。

2.2 精度評價指標(biāo)

對比觀測主要是分析精簡組合方式下的含沙量和傳統(tǒng)方式下觀測的斷面實測含沙量之間精度，主要采用系統(tǒng)誤差、隨機不確定度以及標(biāo)準(zhǔn)差三個指標(biāo)作為比測試驗的精度評價指標(biāo)，各指標(biāo)計算方程分別為：

1)系統(tǒng)誤差：

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

2)標(biāo)準(zhǔn)差：

(2)

3)隨機不確定度：

(3)

(4)

3 精簡分析結(jié)果

3.1 測沙垂線布置

在彰武水文站水文站測驗斷面上、中、下各布設(shè)3個觀測斷面，各觀測斷面起點距見表1，并在各觀測斷面同一位置布設(shè)測沙垂線，測沙垂線的具體位置見表2。

表1 對比觀測斷面起點距范圍

表2 測沙垂線精簡組合分布情況

3.2 測沙垂線精簡組合方式分析

對不同測沙垂線的精簡組合方式下的含沙量進行率定分析，分析精簡前后的含沙量測驗值的相關(guān)系數(shù)，分析結(jié)果如表3所示。

表3 測沙垂線精簡組合后的相關(guān)系數(shù)分析

從表3測沙垂線精簡組合后的含沙量以及傳統(tǒng)布設(shè)方式推求的含沙量相關(guān)方程可看出，測沙垂線精簡后的含沙量和傳統(tǒng)布設(shè)方式下的含沙量總體為一次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.47-0.67之間，具有較好的相關(guān)性，從測沙垂線精簡組合中選中相關(guān)性最好的測沙垂線組合作為精簡最優(yōu)方案，從分析結(jié)果可看出，S2、S4、S6、S8垂線組合下其測定的含沙量和傳統(tǒng)布設(shè)方式下的含沙量之間的相關(guān)系數(shù)均在0.6以上，因此起點距分別為50m、85m、140m以及180m作為測沙垂線精簡組合布設(shè)4條測沙垂線可較好的滿足彰武水文站斷面懸移質(zhì)泥沙的測驗要求[·-7]。

3.3 精簡后測驗精度分析

在S2、S4、S6、S8測沙垂線精簡組合方式下，進行7組對比觀測試驗，結(jié)合前面所述的評價指標(biāo)對測沙垂線精簡后推求的含沙量精度進行評定，評定結(jié)果如表4所示。

表4 彰武水文站測沙垂線精簡組合下含沙量比測精度分析結(jié)果

從7組對比觀測試驗方式下，采用S2、S4、S6、S8的4條測沙垂線精簡組合方式下，各精簡組合下的隨機不確定度總體可在2.0范圍內(nèi)，滿足河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范要求的比測試驗隨機不確定度在2.5范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)要求。此外對各組對比觀測試驗的標(biāo)準(zhǔn)差進行分析，隨機不確定度主要是表征分析樣本是否具有一致性，而標(biāo)準(zhǔn)差是判定含沙量測驗精度的重要誤差指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)差越大，表明樣本序列不具有同步性[〈-10]。從分析結(jié)果可看出，7組對比觀測試驗下，測沙垂線精簡組合方式下其標(biāo)準(zhǔn)差總體可在±20%范圍，按照河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范要求二類水文站泥沙測驗精度，其對比觀測的標(biāo)準(zhǔn)差需要在±20%誤差范圍內(nèi)，因此彰武水文站測沙垂線精簡方式下的含沙量對比觀測的標(biāo)準(zhǔn)差范圍滿足河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范要求。在標(biāo)準(zhǔn)差分析基礎(chǔ)上，對7組對比觀測試驗方式下的系統(tǒng)誤差進行分析，系統(tǒng)誤差主要表示測沙垂線精簡組合方式下的含沙量和傳統(tǒng)布設(shè)方式下含沙量之間是否存在系統(tǒng)偏差，從7組對比觀測試驗方式下的系統(tǒng)誤差可看出，各組試驗方式下測沙垂線精簡組合方式下的系統(tǒng)誤差在±20%內(nèi)變化，按照河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范要求二類水文站泥沙測驗精度要求對比觀測系統(tǒng)誤差應(yīng)控制在±25%內(nèi)，因此可滿足河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范的系統(tǒng)誤差要求。綜合隨機不確定度、標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差的對比觀測分析，采用S2、S4、S6、S8的4條測沙垂線精簡組合方式下可滿足彰武水文站的含沙量測驗要求。

4 結(jié) 論

1)起點距分別為50m、85m、140m以及180m作為測沙垂線精簡組合布設(shè)4條測沙垂線可較好的滿足彰武水文站斷面懸移質(zhì)泥沙的測驗要求，建議在高洪水含水量應(yīng)急監(jiān)測中，為提高含沙量測驗的時效性，可以采用。

2)測沙垂線精簡方式對于斷面沖淤變化較小的河流較為適用，對于斷面沖淤變化較大的河流尤其是在汛期洪水期，還需要加密測沙垂線觀測的數(shù)目，從而提高含沙量測驗的精度，尤其是控制沙峰的變化。