漢口水文站異步測(cè)沙分析

紀(jì) 彭

（長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，武漢 430014）

漢口水文站為控制長(zhǎng)江中游干流在漢江匯入長(zhǎng)江后的水情基本站，屬—類精度水文站、一類泥沙站。測(cè)驗(yàn)河段上窄下寬，呈喇叭型，斷面下游有天興洲橫亙江心，中、低水時(shí)斷面控制較好。測(cè)驗(yàn)斷面左岸河床由細(xì)沙組成，右岸河床由粗沙組成。左岸河床較右岸河床沖淤變化大，導(dǎo)致左岸斷面形狀變化較大，已由原復(fù)式河床變?yōu)閱问胶哟玻鬁\右深。斷面沖淤變化規(guī)律為漲沖落淤。

1 異步測(cè)沙分析方案

1.1 部分流量權(quán)重法推算斷面平均含沙量原理

《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中斷面輸沙率和斷面平均含沙量的計(jì)算公式如下：

式中：Qs為斷面輸沙率（t／s或kg／s）；Qsm1、Csm2、……Csmn為垂線平均含沙量（kg／m3）；q0、q1……qn為以取樣垂線分界的部分流量（m3／s）為斷面平均含沙量（kg／m3）；Q為斷面流量（m3／s）。

上式各取樣垂線的垂線平均含沙量為實(shí)測(cè)，取樣垂線間部分平均含沙量、取樣垂線間部分流量采用實(shí)測(cè)值計(jì)算所得。

部分流量權(quán)重法推算斷面平均含沙量原理，就是懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)與流量測(cè)驗(yàn)異步施測(cè)（即進(jìn)行懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)不同時(shí)施測(cè)流量），而是采用歷年流量測(cè)驗(yàn)資料來分析在懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)時(shí)各取樣垂線間部分流量權(quán)重系數(shù)（取均值），根據(jù)測(cè)沙垂線的垂線平均含沙量和部分流量權(quán)重系數(shù)計(jì)算斷面平均含沙量（仍符合《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》部分流量加權(quán)原理）。

將式（1）代入式（2）中，則：

各部分流量權(quán)重系數(shù)用k0、k1……kn表示

則：

1.2 權(quán)重系數(shù)法推求斷面平均含沙量的方法

本次分析選用該站2004～2011年共282次懸移質(zhì)輸沙率及流量測(cè)驗(yàn)資料，并計(jì)算各測(cè)次相鄰取樣垂線間的部分流量占該測(cè)次總流量的權(quán)重系數(shù)（以下簡(jiǎn)稱部分流量權(quán)重系數(shù)，見表1），資料系列連續(xù)，測(cè)驗(yàn)方法一致，為開展資料分析提供了可靠的條件。需要說明的是，本次分析選用的樣本是從2009年第13次輸沙開始反算（左右岸采用新的固定起點(diǎn)距的實(shí)測(cè)資料），由于漢口站已經(jīng)實(shí)行單值化測(cè)驗(yàn)，按照單一線的布點(diǎn)要求，枯季和低水位時(shí)流量輸沙率測(cè)點(diǎn)較少，一般為1月1次，可以按照原有方法進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。

通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，單次流量各部分權(quán)重系數(shù)，與不同的來水、來沙、水深和垂線平均流速的測(cè)量精度有關(guān)。因此各測(cè)次相同取樣垂線間的部分流量權(quán)重系數(shù)不穩(wěn)定。根據(jù)斷面輸沙率和平均含沙量的計(jì)算公式所知，利用部分流量權(quán)重系數(shù)法推算斷面平均含沙量的誤差大小主要與部分流量權(quán)重系數(shù)的精度有關(guān)。因此，采用統(tǒng)計(jì)多次資料的算術(shù)平均值來計(jì)算權(quán)重，見表1。

通過計(jì)算，低水時(shí)反算輸沙率誤差較大，靠左水邊幾條垂線間部分權(quán)重系數(shù)改動(dòng)見表2，其它垂線間部分流量權(quán)重系數(shù)不變。

2 方案測(cè)驗(yàn)精度評(píng)估

2.1 反推斷面輸沙率精度評(píng)估

利用漢口站2009、2010、2011年共計(jì)3年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)資料，共77次，采用固定權(quán)重系數(shù)方案推算斷面輸沙率，并與實(shí)測(cè)的斷面輸沙率進(jìn)行相對(duì)誤差分析計(jì)算。相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)見表3。

表1 各垂線間部分流量權(quán)重系數(shù)表

表2 低水左岸各垂線間部分流量權(quán)重系數(shù)表

表3 斷面輸沙率誤差統(tǒng)計(jì)表

通過反算的相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)可見，誤差平均值較小在±1%之間，說明沒有系統(tǒng)性的偏離，相對(duì)誤差偏離值較小。其中較大的原因是部分流量分布在780－1 060處變化較大，而在780－1 060處的含沙量變化也較大，兩者相乘導(dǎo)致誤差偏大。但從全年來看，誤差偏離在3%以下的較多，可以忽略這一因素。

從反算結(jié)果中比較垂線間部分流量權(quán)重與采用值之間誤差，見表4。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，斷面中間垂線的權(quán)重誤差較小，尤其在920－1 800之間誤差在±10%以內(nèi)?？拷哆叴咕€誤差較大，但由于權(quán)重較小，如左水邊－430權(quán)重僅1.36，占全斷面約1.31%，對(duì)全斷面影響較小。而且各垂線間有相互抵償作用，如430－500間偏大，而500－780偏小，兩部分流量參與輸沙計(jì)算時(shí)相互補(bǔ)償，從而使采用權(quán)重計(jì)算斷面總輸沙率與實(shí)測(cè)誤差較小。

2.2 反推斷面平均含沙量單斷關(guān)系評(píng)估

利用反算斷面輸沙率求斷面平均含沙量，通過南方片定各年單斷關(guān)系，查看誤差是否在允許范圍內(nèi)。見表5。

統(tǒng)計(jì)分析異步測(cè)沙前，進(jìn)行各誤差比較見表6。

表4 反算時(shí)實(shí)測(cè)垂線間權(quán)重與采用權(quán)重比較

表5 漢口站懸移質(zhì)輸沙異步測(cè)驗(yàn)推算斷面含沙量成果誤差統(tǒng)計(jì)表

表6 漢口站懸移質(zhì)輸沙異步測(cè)驗(yàn)前斷面含沙量成果誤差統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)定單斷關(guān)系線，求單斷關(guān)系公式，分析異步測(cè)沙前后斷沙的偏離情況，統(tǒng)計(jì)見表7。

表7 異步測(cè)沙前后斷沙的偏離情況表

從表中可以看出，其各誤差均在規(guī)范規(guī)定的允許范圍內(nèi)，單斷關(guān)系線合理，3年反算結(jié)果來看，沒有系統(tǒng)性的偏離?？梢姡捎貌糠至髁繖?quán)重系數(shù)法所推算斷面平均含沙量的測(cè)驗(yàn)精度較高，可以采用。

3 結(jié) 論

用部分流量權(quán)重系數(shù)法推算斷面平均含沙量，其理論原理充分，漢口站通過3年的資料驗(yàn)算精度較高，在水沙變化不同步、斷面含沙量變化急劇時(shí)可以有效地增加懸移質(zhì)輸沙率測(cè)次，更好地抓測(cè)含沙量變化過程，提高懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)精度。同時(shí)也為ADCP投產(chǎn)后的懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)找到了一種新的方法，經(jīng)分析認(rèn)為漢口站采用異步測(cè)沙方案可行。