湖口水文站單樣含沙量取樣方案分析

謝雅蕾　柯莉莉　謝波

摘要：湖口水文站為鄱陽(yáng)湖出口控制站，屬國(guó)家級(jí)重要水文站，一類精度泥沙測(cè)驗(yàn)站。湖口水文站懸移質(zhì)輸沙率傳統(tǒng)整編方法為斷面平均含沙量過(guò)程線法，該方法要求測(cè)次較多。為了提高工作效率，通過(guò)分析確定單樣含沙量取樣垂線位置并對(duì)單樣含沙量-斷面平均含沙量關(guān)系進(jìn)行定線檢驗(yàn)等，改進(jìn)了該站傳統(tǒng)懸移質(zhì)輸沙率整編方法。結(jié)果表明：利用改進(jìn)后的整編方法對(duì)懸移質(zhì)輸沙率進(jìn)行整編的效果較好，滿足現(xiàn)行水文整編規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螛雍沉?懸移質(zhì)輸沙率;斷面平均含沙量;湖口水文站

中圖法分類號(hào)：P333.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.006

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）07 - 0038 - 06

0 引 言

單樣含沙量測(cè)驗(yàn)是對(duì)河流中隨水流運(yùn)動(dòng)泥沙數(shù)量和變化過(guò)程的直接觀測(cè)，是水文測(cè)驗(yàn)的主要項(xiàng)目。目前，中國(guó)大多數(shù)江河的懸移質(zhì)輸沙資料都是通過(guò)單樣含沙量-斷面平均含沙量關(guān)系（簡(jiǎn)稱“單斷沙關(guān)系”）來(lái)進(jìn)行推導(dǎo)轉(zhuǎn)化的。即通過(guò)簡(jiǎn)便的單樣含沙量測(cè)驗(yàn)方法以及實(shí)測(cè)斷面輸沙率測(cè)驗(yàn)求得的單斷沙關(guān)系，將單樣含沙量按當(dāng)年的相關(guān)分析換算為斷面平均含沙量。該方法的應(yīng)用較為成熟，也相對(duì)簡(jiǎn)單易行。但單樣含沙量的精度就代表了懸沙測(cè)驗(yàn)的精度，因此對(duì)單樣含沙量取樣位置有一定的要求。

目前，湖口水文站的懸移質(zhì)輸沙率整編方法采用斷面平均含沙量過(guò)程線法。該整編方法按規(guī)范要求需要的懸沙測(cè)驗(yàn)測(cè)次較多，每月最少5次，年測(cè)次達(dá)到80次以上。因此本文利用已有資料對(duì)單樣含沙量測(cè)驗(yàn)方法的可行性進(jìn)行研究，同時(shí)根據(jù)測(cè)站特性，用多種組合取樣方法進(jìn)行分析以確定取樣位置。旨在通過(guò)上述分析改進(jìn)該站懸移質(zhì)輸沙率整編方法，降低生產(chǎn)成本，提高工作效益。

1 測(cè)站概況

1.1 湖口水文站

湖口水文站始建于1922年10月，地處江西省湖口縣雙鐘鎮(zhèn)，位于長(zhǎng)江中游未端與鄱陽(yáng)湖交匯處，是監(jiān)測(cè)鄱陽(yáng)湖出入水量的國(guó)家級(jí)重要水文站，也是國(guó)家一類精度流量和泥沙控制站。地理位置東經(jīng)116°13′，北緯29°45′，控制流域面積162 225 km，緊鄰長(zhǎng)江，距長(zhǎng)江口約840 km。

1.2 測(cè)驗(yàn)河段及斷面

本文測(cè)驗(yàn)河段位于鄱陽(yáng)湖水道最末端，測(cè)驗(yàn)斷面離鄱陽(yáng)湖出口約0.7 km，上游有贛江、撫河、信江、修水、饒河5條支流入?yún)R。測(cè)驗(yàn)河段較順直，為收縮河段，向上游湖面逐漸加寬。流速儀測(cè)流斷面上游1 km處建有鄱陽(yáng)湖大橋，上游約5 km處建有銅九鐵路大橋;左岸有灘地，水位約9.00 m時(shí)灘地開(kāi)始淹沒(méi)，灘地露出時(shí)有水草生長(zhǎng);右岸于2001年建成防洪堤，有上、下石鐘山分居斷面上、下游，且下石鐘山突出于河口;河床較穩(wěn)定，左岸由細(xì)沙、淤泥組成，右岸由粗沙組成，倒灌或低水流速較大時(shí)略有沖淤，因距河口太近，受長(zhǎng)江來(lái)水頂托倒灌時(shí)水流紊亂。測(cè)驗(yàn)河段見(jiàn)圖1。

1.3 測(cè)驗(yàn)方式與垂線分布

湖口水文站水文測(cè)驗(yàn)方式為駐巡結(jié)合，流量測(cè)驗(yàn)方法為走航式ADCP，流量整編方法為連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法，懸移質(zhì)輸沙率整編方法為斷面平均含沙量過(guò)程線法。

懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)主要在洪水期布置測(cè)次，每次針對(duì)較大洪峰的測(cè)次不少于5次;平、枯水期時(shí)每月不少于5次;倒灌期加密測(cè)次。（湖口水文站水位級(jí)劃分：高水位≥17.20 m，中水位13.30～17.20 m，低水位7.9～13.3 m，枯水位≤7.90 m。）

懸移質(zhì)輸沙測(cè)驗(yàn)方法分為選點(diǎn)法和常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法。選點(diǎn)法為每條垂線按五點(diǎn)法取樣，常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法是在每條垂線的相對(duì)水深位置0.2，0.6，0.8處取樣，且按2∶1∶1垂線混合法進(jìn)行混合。測(cè)驗(yàn)斷面與懸移質(zhì)輸沙垂線分布見(jiàn)圖2。

1.4 多年平均含沙量分析

湖口水文站自1952年開(kāi)展懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)以來(lái)，一直采用全斷面輸沙測(cè)驗(yàn)，僅在1955年5月至1961年8月采用過(guò)單斷沙關(guān)系測(cè)驗(yàn)。

1952～2020年湖口站多年平均含沙量為0.067 kg/m， 2016～2020年多年平均含沙量為0.035 kg/m，2016～2020年含沙量小于0.050 kg/m3的測(cè)次為52%以上，特別是近4 a高達(dá)74%以上，其中2020年達(dá)96%。

2 單樣含沙量垂線代表性分析

2.1 泥沙測(cè)驗(yàn)資料選取

從歷史資料上看，雖然湖口水文站泥沙特性受鄱陽(yáng)湖來(lái)水來(lái)沙及長(zhǎng)江水倒灌鄱陽(yáng)湖時(shí)的來(lái)水來(lái)沙影響，但水文測(cè)驗(yàn)斷面穩(wěn)定，多年來(lái)沖淤變化不大，近些年含沙量在斷面上的橫向分布來(lái)看基本一致。因此本文選用2013～2020年643次懸移質(zhì)輸沙率資料，其中長(zhǎng)江水倒灌鄱陽(yáng)湖的懸移質(zhì)輸沙率資料32次（2017年倒灌時(shí)間為連續(xù)20 d）。懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)時(shí)的水位為7.28～22.46 m，最小輸沙率為-865 kg/s，最大輸沙率為2 470 kg/s，最小含沙量為0.008 kg/m，最大含沙量為0.420 kg/m。

2.2 單樣含沙量測(cè)驗(yàn)垂線位置分析

湖口水文站懸移質(zhì)輸沙率常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法中，高、中水期測(cè)驗(yàn)為9條垂線，低水期和枯水期為6～8條垂線，倒灌期為9條垂線，幾種測(cè)驗(yàn)方法中有4條垂線重合，它們起點(diǎn)距分別為750，910，990，1 150 m。

GB/T 50159-2015《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中規(guī)定：斷面比較穩(wěn)定，主流擺動(dòng)不大的站點(diǎn)，應(yīng)選擇若干次能代表各級(jí)水位、各級(jí)含沙量的輸沙率資料，繪制垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的比值橫向分布圖，在圖上選擇比值最為集中且等于1處，確定1～2條垂線，作為單樣含沙量測(cè)驗(yàn)位置，由此建立單斷沙關(guān)系曲線。

湖口水文站懸移質(zhì)輸沙率垂線的取樣方法是：在垂線的相對(duì)水深位置0.2，0.6，0.8處取樣，按2∶1∶1進(jìn)行垂線混合，計(jì)算垂線平均含沙量。

現(xiàn)根據(jù)湖口水文站的斷面分布和測(cè)站特性，擬用多種組合取樣方法進(jìn)行垂線平均含沙量與斷面平均含沙量的比值統(tǒng)計(jì)，分別是單垂線、兩條垂線和三條垂線，即是起點(diǎn)距750，910，990，1150 m;（750，910 m），（750，990 m），（750，1150 m），（750，910，1150 m）;（750，990，1150 m）和（910，990，1150 m）共10種組合方案。單垂線的單樣含沙量即為垂線平均含沙量，多垂線的單樣含沙量即為多垂線平均含沙量的算術(shù)平均值。當(dāng)懸移質(zhì)垂線含沙量與斷面平均含沙量比值越接近1，表明精度越高。以上各方法計(jì)算出的懸移質(zhì)垂線含沙量與斷面平均含沙量比值出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

從表1中可以看出隨垂線數(shù)增加，精度越高。單垂線集中在比例系數(shù)等于1處的不到10.0%，比例系數(shù)在0.900～1.100的頻率最大為56.5%;兩條垂線集中在比例系數(shù)等于1處的不到15.0%，比例系數(shù)在0.900～1.100的頻率最大為73.7%;三條垂線組合中比例系數(shù)精度較高，其中起點(diǎn)距750，910，1150 m集中在比例系數(shù)等于1處的為18.2%，比例系數(shù)在0.900～1.100的頻率有85.2%，最大比例系數(shù)為1.632，最小為0.769;起點(diǎn)距750，990，1150 m集中在比例系數(shù)等于1處的為17.3%，比例系數(shù)在0.900～1.100的頻率有79.9%，最大比例系數(shù)為1.591，最小為0.533。起點(diǎn)距750，910，1150 m這個(gè)組合精度最佳，其次是起點(diǎn)距750，990，1150 m組合。

3 精度分析

3.1 單樣含沙量-斷面平均含沙量關(guān)系曲線精度分析

SL 247-2020《水文資料整編規(guī)范》中懸移質(zhì)泥沙等關(guān)系曲線法定線精度指標(biāo)規(guī)定：一類精度水文站單一線法定線精度指標(biāo)為系統(tǒng)誤差≤±2%，隨機(jī)不確定度≤18%。符合檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)的顯著水平分別采用0.25，0.05和0.10。

根據(jù)上述垂線分析結(jié)果，選用起點(diǎn)距750，910，1 150 m和起點(diǎn)距750，990，1 150 m兩種取樣方案，對(duì)2013～2020年的湖口水文站懸移質(zhì)輸沙率資料，利用南方片2.0版整匯編程序?qū)煞N取樣方案分別定繪單斷沙關(guān)系曲線，并對(duì)曲線關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)。由于2017～2020年湖口水文站的含沙量小于0.050 kg/m的測(cè)次達(dá)74%以上，最小含沙量為0.008 kg/m，單斷沙絕對(duì)誤差僅0.002 kg/m，而相對(duì)誤差達(dá)20%。因此在資料處理時(shí)，2018年和2020年中不大于0.010 kg/m的測(cè)次未參加檢驗(yàn)[1]，其余各測(cè)點(diǎn)均參加了曲線關(guān)系檢驗(yàn)。起點(diǎn)距750，910，1 150 m和起點(diǎn)距750，990，1 150 m兩種取樣方案的單斷沙關(guān)系線均為接近45°的直線（圖3～4）。對(duì)這些關(guān)系曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，兩種取樣方案的單斷沙關(guān)系系數(shù)均滿足GB/T 50159-2015《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》4.1.1中的要求（一類精度站為0.95～1.05之間）。但在起點(diǎn)距750，990，1 150 m的方法中，雖然三線檢驗(yàn)合格，但有的年份隨機(jī)不確定度超標(biāo)準(zhǔn)，而取樣位置在起點(diǎn)距750，910，1 150 m的單斷沙關(guān)系為最佳，各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定。

3.2 取樣方案分析驗(yàn)證

用單斷沙取樣位置分析結(jié)果與2021年1～5月的懸移質(zhì)輸沙資料計(jì)算相應(yīng)單樣含沙量，并用南方片2.0整匯編程序進(jìn)行定線和檢驗(yàn)。其中符號(hào)檢驗(yàn)指標(biāo)u=0.00≤1.15（顯著性水平a=0.25）合格，適線檢驗(yàn)指標(biāo)U=-1.80免檢，偏離數(shù)值檢驗(yàn)指標(biāo)|t|=0.85≤1.67（顯著性水平a=0.10）合格，系統(tǒng)誤差1.3%，隨機(jī)不確定度17.2%。單樣含沙量與斷面含沙量成果見(jiàn)表3，單斷沙關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。從圖5和檢驗(yàn)結(jié)果中可看出，單斷沙關(guān)系系數(shù)滿足測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，三線檢驗(yàn)也全部通過(guò)，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度滿足整編規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)湖口水文站2013～2020單樣含沙量-斷面平均含沙量關(guān)系的分析和2021年資料的驗(yàn)證，得出主要的結(jié)論如下。

（1） 在湖口站測(cè)流斷面起點(diǎn)距750，910，1 150 m的三線按三點(diǎn)法2∶1∶1垂線混合法取樣，分開(kāi)處理，算術(shù)平均法計(jì)算的含沙量代表性最好，可作為單樣含沙量的取樣位置。

（2） 因湖口站近年來(lái)含沙量小于0.050 kg/m3的測(cè)次達(dá)74%以上，且最小含沙量只有0.008 kg/m3，隨機(jī)不確定度雖在允許范圍內(nèi)，但也偏大，這與含沙量小、相對(duì)誤差大有關(guān)。建議在確定用單斷沙關(guān)系進(jìn)行整編時(shí)，可根據(jù)測(cè)站的實(shí)際情況確定單樣含沙量測(cè)次布置。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李金寶， 劉睿， 劉玉平， 等. 八里橋水文站單樣含沙量的取樣位置分析[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2015 （13）：248-249.

（編輯：江 文）

Analysis on measurement method of index sediment concentration at

Hukou Hydrological Station

XIE Yalei，KE Lili，XIE Bo

（Lower Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Jiujiang? 332000，China）

Abstract：Hukou Hydrologic Station is an important control station of Poyang Lake ， and it is a national hydrologic station where sediment measurement accuracy is required to reach classification I. The compilation method of cross-section suspended sediment discharge adopted for Hukou Hydrological Station is traditional vertical average sediment concentration method， which requires many times of measurement. To improve work efficiency，we analyzed vertical line position of index sediment concentration， then verified the relationship between index sediment concentration and cross-section average sediment concentration.The results showed that the improved compilation method could meet the requirements of the current hydrologic code ，and was available for Hukou Hydrological Station.

Key words：index sediment concentration; suspended sediment discharge; cross-section average sediment concentration; Hukou Hydrologic Station