前煙臺水文站懸移質輸沙率間測分析研究

郭 浩

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

前煙臺水文站洪水主要來源于上游降雨產流，低水期其水位流量關系曲線受河道沖淤變化較小使得總體呈現單一線型。中、高水受下游太子河河水頂托及洪水漲落影響，呈多條曲線[1]。前煙臺水文站建站以來最大斷面含沙量發生在2010年，斷面含沙量采用單斷關系法推求，實測單樣含沙量為15.1kg/m3，單斷沙關系系數1.0000，推求斷面含沙量15.1kg/m3，實測斷沙變幅占年推求斷沙變幅41.2%[2]。每次較大洪水過程時，前煙臺水文站不少于3次，洪峰重疊、水沙峰不一致或含沙量變化劇烈時，逐步增加測次。汛期平水期，需要2～5d測驗一次，非汛期平水期，含沙量變化平緩時，需要5～10d測驗一次，含沙量變化較大時需增加測次。近些年來，隨著水文現代化的逐步實施，國內流量測驗效率得到明顯提升[3-8]，但對于泥沙測驗效率提升措施和手段還相對較少。國內關于水文懸移質輸沙率自動測定的研究取得一定的成果[9-15]，但由于不同河流的懸移質泥沙組成的復雜性，其自動測定精度不高。通過綜合比對，采取懸移質輸沙率間測方式，減少測次是目前提高泥沙測驗效率較為行之有效的一種方式。為提高水文站懸移質輸沙率測驗效率，以前煙臺水文站為實例，對其懸移質輸沙率間測分析誤差進行分析，提出輸沙率間測方案。研究成果對于水文站懸移質輸沙率測驗方式的改進具有參考價值。

1 資料的選用與分析

1.1 分析資料的選用

根據GB 50159—2015《河流懸移質泥沙測驗規范》三類泥沙精度的站懸移質輸沙率間測分析條件和方法要求，本次分析選用了前煙臺水文站臨近2012—2021年實測輸沙率成果、共151組單斷沙數據，分析最高水位19.53m以下、最大斷面含沙量13.1kg/m3以下多年單斷沙關系規律進行分析，多年含沙量統計表見表1。

表1 多年含沙量特征值統計表

表2 2012—2021年單斷沙關系系數統計表

2012—2021年各年單斷沙關系系數均采用1.0000，推求最大斷面含沙量值為13.1kg/m3，建站以來最大斷面含沙量15.1kg/m3，采用單斷關系線法推求，單斷沙系數1.0000推求，近10年含沙量變幅占歷年變幅86.8%，符合《河流懸移質泥沙測驗規范》實測斷面平均含沙量變幅占歷年(近10年)變幅70%以上時可實行間測的規范要求。前煙臺水文站建站以來最高水位21.26m，最低水位15.23m。近10年的最高水位為19.53m，水位變幅占歷年水位變幅91.9%符合《河流懸移質泥沙測驗規范》中水位變幅占歷年水位變幅的80%以上時，可實行間測的規范要求。

1.2 各年單斷沙關系分析

前煙臺水文站每年懸移質輸沙率的測次均不少于12次，均勻分布各級水位，洪水期分布較多。將2012—2021各年實測斷沙通和相應單沙數據點繪在坐標紙上，通過原點(0，0)繪出一條直線且直線與縱、橫坐標軸夾角均為45°(直線斜率為1.0000)，并對單斷沙直線進行3種檢驗，檢驗結果均符合誤差要求。泥沙資料整編時，單斷系數均采用1.0000。通過散點圖軟件繪制單斷沙直線，自動添加直線公式可計算出系數。單斷沙關系系數統計表見2。

1.3 歷年單斷沙關系分析

將2012—2021年的所有實測斷沙和相應單沙數據點繪在同一張圖上，通過原點(0，0)繪出一條直線且直線與縱、橫坐標軸夾角均為45°(直線斜率為1.0000)作為歷年綜合單斷沙關系線，采用3種檢驗方法對單斷沙關系線進行檢驗，3種檢驗均符合泥沙定線精度要求，懸移質泥沙關系曲線法定線精度指標見表3。

表3 前煙臺水文站歷年綜合單沙—斷沙關系曲線檢驗成果

從前煙臺水文站歷年綜合單沙—斷沙關系曲線檢驗成果中可以看出定線隨機不確定度17.0%≤28%、系統誤差為-0.6%≤±3%，符合《水文資料整編規范》規定的精度要求，定線精度符合要求。

2 輸沙率間測誤差檢驗

歷年綜合單斷沙關系采用實測的含沙量單沙測驗成果和懸移質輸沙率歷年值進行綜合得到，最大歷年綜合單斷沙關系曲偏差控制在±5%以內后可對懸移質輸沙率采用間測方式進行測驗，采用歷年綜合線對單沙含沙量進行間測期間的資料整編。

2.1 各年關系線系數與綜合線系數分析

對前煙臺水文站2012—2021年單斷沙關系線與歷年綜合單斷沙關系線系數進行誤差分析。采用整編程序，分別計算近10年單斷沙系數，各年斷沙等于單沙乘以系數K(2012—2021)。斷沙計算公式：C斷(2012—2021)=K(2012—2021)×C單；C斷(歷年)=C單。各年單斷系數與歷年綜合單斷沙系數誤差值(K(2012—2021)-1)%計算結果見表4。

表4 各年單斷沙線系數與歷年綜合單斷沙線系數統計表

根據分析，所得的綜合單斷沙關系系數與各年單斷沙關系推算系數相比，其最大相對誤差為2%。

2.2 關系線誤差檢驗

通過各年單斷沙數據與歷年綜合單斷沙數據進行t檢驗。根據《水文資料整編規范》(SL/T 247—2020)規定要求，顯著水平a值采用0.05，臨界值采用1.96，經過檢驗結果可以看出，各年單斷沙關系樣本均屬于歷年單斷沙關系系列，檢驗結果均通過假設，檢驗結果見表5。

表5 各年單斷沙關系線與綜合單斷沙關系線t檢驗表

通過分析，各年關系線相對偏離值均在±5.0%以內。符合《河流懸移質泥沙測驗規范》精度要求。間測方案可為停4年測1年，間測期間在基本斷面148.0m相對水深0.6或0.5位置處取單樣含沙量；檢測年份每年檢測輸沙率不少于3次，均勻布設測次；采用歷年綜合單斷沙關系線進行資料整編時，間測期間的施測年份懸移質輸沙率監測頻次及測次布設應滿足GB/T 50159—2015《河流懸移質泥沙測驗規范》的要求，測次不少于12次，采用當年單斷沙關系線進行資料整編時，斷面含沙量在間測期間高于13.1kg/m3時，且水位在19.50m以上后應恢復常規懸移質輸沙率測驗方式，此外測沙斷面受人類活動影響變化較為明顯時候，也應重新對懸移質輸沙率間測方式的可行性重新進行誤差評估。

3 結論

(1)當實測斷面平均含沙量及水位變幅分別超過70%和80%時，可采用間測方式來提高懸移質輸沙率測驗效率。

(2)歷年綜合單斷沙關系線可采用實測單沙測驗成果和懸移質輸沙率歷年值進行綜合，最大歷年綜合單斷沙關系曲偏差應控制在±5%以內，間測期間可采用歷年綜合線對單沙進行資料整編。

(3)測沙斷面受人類活動影響變化較為明顯時候，也應重新對懸移質輸沙率間測方式的可行性重新進行誤差評估，保證輸沙率測驗精度。