新疆喀什地區水文站測沙垂線精簡分析

丁 勝

(新疆喀什水文勘測局,新疆 喀什 844000)

喀什地區河流含沙量相對較高,葉爾羌河年平均輸沙量在21.8萬t,汛期受暴雨洪水影響,河道輸沙量增大,使得河流水沙測驗頻次增高,按照《河流懸移質泥沙測驗規范》GB 50159—92測沙精度要求,在河面寬度高于50m的斷面需要布設15條以上的測沙垂線[1]。當前,隨著水文現代化的快速發展,河道水文測驗的手段不斷得到提升,測驗斷面水位已基本實現自動觀測,流量觀測也從傳統纜道測流方式逐步轉變為ADCP測流方式,流量測驗時效性得到不同程度的提升,但在斷面含沙量測驗時,還主要通過布設測沙垂線,來推求斷面平均含沙量,雖然近些年來,河道自動測沙研究取得一定成果,但是目前還處于試驗階段,很難短時間內進行推廣和應用[2-4]。目前,國內對于河道測沙效率提升主要是通過對其測沙垂線進行精簡組合,通過國內一些實例研究表明,通過分析測沙垂線精簡組合,可以對傳統測沙垂線進行精簡,從而提高泥沙測驗效率。為提高喀什地區泥沙測驗的效率,以庫魯克欄桿水文站為具體實例,對其不同測沙垂線精簡組合下的誤差進行比測分析。研究成果對于喀什地區水文站測沙效率提升具有參考價值。

1 研究方法

1.1 測沙垂線精簡

測沙垂線精簡主要方式為對測沙垂線進行組合分析,建立各精簡垂線方案下的回歸方程,通過對回歸方程進行相關性分析,確定最優的測沙垂線組合方式。在確定最優測沙垂線精簡組合方式下采用人工同步觀測方式對測沙精簡組合方式下的誤差精度進行檢驗,是否滿足《河流懸移質泥沙測驗規范》GB 50159—92測沙精度要求[5]。

1.2 誤差分析指標

系統誤差、隨機不確定度及標準值是斷面測沙垂線精簡組合方式下誤差檢驗指標,其中系統誤差△N計算方程為:

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

標準差Se對于測沙垂線精簡后的計算方程為:

(2)

測沙垂線精簡后其隨機不確定度計算方程為:

(3)

(4)

式中:Csi為含沙量在精簡測沙垂線后的測驗值,g/m3;Csci為為含沙量在精簡測沙垂線后的測驗值,g/m3;n為測沙垂線精簡后布設的數量,條;X＇cs為隨機不確定度在95%置信水平下的檢驗值;Xcs為為隨機不確定度在75%置信水平下的檢驗值。

2 實例分析

2.1 站點概況

以分別以庫魯克欄桿和卡群站水文站為具體實例,庫魯克欄桿和卡群站水文站為葉爾羌河干流主要控制水文站,庫魯克欄桿水文站位于葉爾羌河干流主上游區域,測驗斷面以上匯水面積為32880km2。卡群水文站位于葉爾羌河干流出山口,測驗斷面以上匯水面積為50248km2。葉爾羌河干流主要控制水文站測驗斷面均較為順直,測驗河段斷面在150～200m之間,各站年含沙量均值在3.48～4.75kg/m3之間,各站均采用傳統測沙方式進行斷面含沙量的測定,按照《河流懸移質泥沙測驗規范》GB 50159—92測沙規范要求,布設15條以上測沙垂線,通過測定各測沙垂線的含沙量,來推求斷面平均含沙量。

2.2 測沙垂線布設

庫魯克欄桿和卡群站水文站在測驗斷面即中弘斷面上游、中游、下游按照不同起點距分別布設測沙垂線,其測沙斷面及庫魯克欄桿和卡群站水文站測沙垂線布設斷面位置如表1、表2及表3所示。

表1 測沙垂線比測布設位置

表2 庫魯克欄桿測沙垂線分布

表3 卡群站測沙垂線分布

*S表示測沙垂線編號

2.3 測沙垂線精簡組合方式

在庫魯克欄桿和卡群站水文站測沙垂線分析的基礎上,分別對不同測沙垂線精簡組合方式下的回歸方程進行分析,其中Y表示為斷面平均含沙量,X表示為單條測沙垂線測定的含沙量,庫魯克欄桿和卡群站水文站不同測沙垂線組合方式下的回歸方程和其相關系數如表4和表5所示。

表4 庫魯克欄桿水文站測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸分析結果

表5 卡群水文站測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸分析結果

從庫魯克欄桿水文站測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸分析結果,測沙垂線越精簡其回歸方程的回歸系數越低,當測沙垂線精簡組合達到6條以上后,其測沙垂線精簡組合下的斷面含沙量和單斷面含沙量之間的回歸系數達到0.6以上,滿足河流懸移質泥沙測驗規范》GB50159—92誤差允許范圍要求,這主要是因為斷面含沙量測沙垂線越少,其對斷面含沙量的代表性越低,因此當其測沙垂線精簡組合低于6條時,其測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸系數低于0.6。從卡群水文站測沙垂線精簡組合下斷面含沙量和單沙回歸分析結果可看出,和庫魯克欄桿水文站較為一致,當測沙垂線精簡組合為6條后其測沙垂線測定的斷面含沙量和單沙之間的回歸系數達到0.6以上,滿足含沙量測驗規范精度要求。這主要是因為葉爾羌河從上游到下游其含沙量空間分布差異性相對較小,使得其上游水文站和下游水文站測沙垂線精簡組合下的條數具有相似性[6-8]。

2.4 測沙垂線精簡前后精度檢驗

在在庫魯克欄桿和卡群站水文站測沙垂線精簡回歸分析基礎上,按照河流懸移質泥沙測驗規范》GB50159—92要求,對不同測沙垂線精簡組合方式下的隨機不確定度、標準差、系統誤差進行精度檢驗,各站檢驗結果如表6和表7所示。

表6 庫魯克欄桿水文站測沙垂線精簡組合下精度檢驗結果

表7 卡群水文站測沙垂線精簡組合下精度檢驗結果

從庫魯克欄桿水文站測沙垂線精簡組合下精度檢驗結果可看出,在2～5條測沙垂線精簡組合下其隨機確定度高于5.0,標準差也均在±10%以上,系統誤差在±20%以上,均未能滿足河流懸移質泥沙測驗規范》GB50159—92要求,此外庫魯克欄桿水文站2～5條測沙垂線精簡組合進行置信水平檢驗,均未能通過75%的置信度檢驗,當測沙垂線精簡組合在6條以上后,其各項誤差檢驗指標均下降較為明顯,其中隨機不確定度均低于5.0,標準差和系統誤差也均在±10%以內,且均能通過90%的置信度檢驗。相比于庫魯克欄桿水文站,卡群水文站各項檢驗指標相對較高,但和庫魯克欄桿水文站具有一致性,當測沙垂線精簡組合為6條后,其均可滿足滿足河流懸移質泥沙測驗規范》GB50159—92誤差允許要求,且各測沙垂線精簡組合下均能通過90%的置信度檢驗。通過對庫魯克欄桿水文站和卡群水文站進行測沙垂線精簡組合分析,對于喀什地區水文站而言,當其含沙量低于0.5kg/m3后,采用6-10條測沙垂線進行精簡組合后均可滿足《河流懸移質泥沙測驗規范》GB50159—92精度要求。

3 結 語

1)通過測沙垂線精簡組合分析,可以對水文站測沙垂線精簡組合方式進行優選,對于喀什地區而言,當其測沙垂線精簡組合方式為6條時,即可滿足《河流懸移質泥沙測驗規范》GB50159—92精度要求,隨著測沙垂線精簡組合條數增加,其誤差逐步降低。

2)測沙垂線精簡組合方式適合于中低含沙量的河流,對于汛期河流含沙量較高時,還應及時恢復測沙垂線條數,以保證整個沙峰過程的測定。

3)文章對測沙垂線優化組合方式未進行探索,在后續研究中應結合工作實際探索水文站測沙垂向的最優組合方式。