基于濁度儀法的熊岳地區(qū)含沙量精簡分析

劉昊宗

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116021)

1 概述

隨著水文測驗先進技術(shù)的迅速發(fā)展，水文測驗先進儀器也在許多流域得到推廣和應(yīng)用。現(xiàn)行的水文測驗項目包括水位、流量、泥沙、降水量、蒸發(fā)及墑情等，其中降水、水位、蒸發(fā)已逐步實現(xiàn)自動觀測[1]。近些年來，對于流量的自動監(jiān)測得到不斷發(fā)展，如ADCP[2]、電波雷達[3]等先進儀器已在國內(nèi)許多流域得到應(yīng)用[4- 8]。但對于泥沙自動測驗的起步較晚，當前，濁度儀通過對河流水體濁度進行觀測，建立濁度和含沙量關(guān)系，推求斷面含沙量，在一些流域水文測站的含沙量測驗中得到應(yīng)用[9- 15]，表明了河流水體中的濁度和含沙量具有一定的相關(guān)性，當河流含沙量較低時，該儀器可監(jiān)測斷面含砂量，但是水體濁度較大時，很難建立濁度值和含沙量的相關(guān)關(guān)系，因此濁度儀的適用性不高。為探討濁度儀在熊岳地區(qū)含沙量自動監(jiān)測的適用性，本文采用對比觀測試驗方式，對濁度儀的適用性進行探討。研究成果對熊岳地區(qū)河道含沙量測驗方式的改革和創(chuàng)新具有一定參考意義。

2 測站概況

熊岳水文站位于遼河流域渤海岸水系熊岳河流上，屬于遼寧熊岳鎮(zhèn)的鐵東街。該站集水面積為307km2，占總流域面積的58.2%，距河口距離11km。該站為熊岳河唯一控制站，負責(zé)水位、流量、泥沙、降水量、水質(zhì)、土壤墑情等測驗任務(wù)。單沙測驗依托人工，采用固定一線方法進行測驗，整編采用近似法。洪水主要來自上游及區(qū)間降雨所產(chǎn)生的徑流。含沙量隨主流擺動，在高洪水階段其含沙量較大，在一般情況下，沙峰提前到達。該站Z～Q關(guān)系相對穩(wěn)定，最大含沙量為48000g/m3，發(fā)生在1981年。

3 精度評價方法

3.1 精簡方法

測量次數(shù)的布設(shè)根據(jù)能夠控制的含沙量變化過程，且滿足估算日均含沙量、輸沙率的需要。在5—9月，水位或含沙量變化較大的沙峰過程，日測單樣不少于2次，在沙峰峰值和含沙量變化的拐點處，應(yīng)適當增加測次。選取2021年7—8月下旬熊岳站的60次含沙量進行分析。

3.2 精度評價指標

比較檢驗精度的3個評價指標分別是系統(tǒng)誤差、隨機不確定度和標準差，各指標的計算公式如下:

(1)系統(tǒng)誤差

ΔN=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

(2)標準差

(2)

(3)隨機不確定度

X′Cs=2se

(3)

XCs=X′Cs/2×1.15

(4)

4 精簡分析結(jié)果

4.1 測沙垂線布置

選擇熊岳站3個測驗斷面，分別是上比降斷面、基本斷面、下比降斷面，各測驗斷面起點距范圍見表1，并在3個斷面的同一位置布置6條單沙垂線，見表2。

表1 對比觀測斷面起點距范圍

表2 測沙垂線分布情況

4.2 轉(zhuǎn)換方程分析

對不同測沙垂線建立濁度值和含沙量的相關(guān)方程，并將濁度儀推求的含沙量和傳統(tǒng)人工觀測的含沙量進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。

在各測沙垂線相同位置進行同步對比觀測，將濁度儀和人工監(jiān)測的含沙量進行相關(guān)轉(zhuǎn)換方程的率定。從率定分析結(jié)果可看出，對比觀測分析時斷面含沙量均低于0.3kg/m3，而此時熊岳水文站斷面含沙量和濁度值具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)總體在0.45以上。通過各條測沙垂線含沙量和濁度值的轉(zhuǎn)換率定公式即可以對斷面的含沙量進行推求。

表3 濁度儀和含沙量轉(zhuǎn)換率定公式分析結(jié)果

4.3 對比觀測精度分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，對含沙量進行了分析比較，并判定是否符合其精度要求，其結(jié)果見表4。

結(jié)合各測沙垂線建立的濁度儀和含沙量轉(zhuǎn)換方程進行了6組對比觀測試驗，對采用濁度儀推求的斷面含沙量和傳統(tǒng)人工觀測的含沙量進行精度的平度。根據(jù)GBT 50159—2015《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》的要求，需要對符合、適線以及隨機不確定度進行檢驗，并統(tǒng)計其標準差和系統(tǒng)誤差，當符號試驗值小于0.6時，為合格。從各組對比觀測值可看出，符合檢驗值均在0.6以下，全部通過檢驗，符合要求。適線試驗主要用于確定含沙量的垂線。當適線檢驗值在±1.0以內(nèi)均可以通過適線檢驗，從各適線的測試值可以看出，適線檢驗值均在±1.0以內(nèi)，達到免檢和合格要求。從各組測沙垂線隨機不確定度分析結(jié)果可看出，隨機不確定度在1.17～1.63之間，表明各組測沙垂線含沙量和濁度儀推求的斷面含沙量之間無系統(tǒng)偏差。從檢驗標準差可看出，6組對比觀測試驗采用濁度儀推求的斷面含沙量和各測沙垂線含沙量之間的標準差低于15%，達到河流泥沙測驗規(guī)范要求的20%的誤差范圍要求。從系統(tǒng)誤差可看出，各測沙垂線系統(tǒng)誤差低于±20%，滿足系統(tǒng)誤差的精度要求。

表4 熊岳水文站含沙量比測分析

5 結(jié)論

(1)熊岳水文站斷面含沙量和濁度值具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)總體在0.45以上。通過建立各條測沙垂線的含沙量和濁度值的轉(zhuǎn)換率定公式即可以對斷面的含沙量進行推求。

(2)為能較好的建立含沙量和濁度的相關(guān)方程，建議在比測試驗時將觀測次數(shù)安排在10～20次左右，并均勻分布測沙垂線，一般對比觀測的測沙垂線不少于5～6條。

(3)本文未探討水體濁度值對于濁度儀觀測精度的影響，在后續(xù)研究中還應(yīng)重點探討水體濁度值的適用范圍。