張莉 陶武亮 張孝軍 田岳明

摘要：為解決新江口站當(dāng)前流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)少、泥沙測(cè)驗(yàn)次數(shù)多，現(xiàn)有泥沙測(cè)驗(yàn)方案測(cè)驗(yàn)歷時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，不利于搶測(cè)沙峰，不適應(yīng)斷沙與流量異步測(cè)驗(yàn)的問(wèn)題，采用等部分流量全斷面混合法對(duì)現(xiàn)有測(cè)驗(yàn)方案進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的測(cè)驗(yàn)方案可將原來(lái)的9線2點(diǎn)取樣精簡(jiǎn)為5線2點(diǎn)取樣。結(jié)果表明，優(yōu)化方案各項(xiàng)誤差均滿足要求，可投產(chǎn)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：泥沙測(cè)驗(yàn);流量測(cè)驗(yàn);含沙量;懸移質(zhì);新江口水文站

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV149文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081（2019）01-0018-05

1 測(cè)站概況

新江口站始建于1954年2月，為荊江四口之松滋河（西支）主要控制站，測(cè)驗(yàn)斷面距松滋口42 km，距松滋河?xùn)|、西支分流的大口12.5 km。斷面上游約1.4 km有一座公路橋，大橋上游800 m處有一大彎道，斷面上下1 500 m范圍內(nèi)較順直。測(cè)驗(yàn)河段為S型，河槽為U型，中高水位主槽寬度約250～300 m。河床系細(xì)沙組成，斷面略有沖淤變化。斷面下游1.7 km新建一座公路橋，新橋下游1.8 km南岸有支流集松滋境內(nèi)山區(qū)水流匯入松滋河（西支）。

新江口站歷年實(shí)測(cè)最低水位為 34.05 m，最小流量為0，最高水位為 46.18 m，最大流量為7 910 m3/s。每年5月1日至10月15日為汛期，其他月份為枯季;7～9月為主汛期，水量約占全年總水量的61.7%，1～4，11，12月枯季水量占全年的 8.2%。年均水位 36.62～38.84 m，年均流量 404～1 350 m3/s。歷年最大含沙量為13.4 kg/m3，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，2006年斷面平均含沙量明顯偏小，2005年以前年均含沙量為 0.920 kg/m3，2006年以后年均含沙量?jī)H為 0.110 kg/m3。

2013年之前，新江口站測(cè)流測(cè)沙均采用船測(cè)法。為利于巡測(cè)工作開(kāi)展，新江口站2012年新建了水文纜道，2013年進(jìn)行了纜道與船測(cè)比測(cè)工作，2014年纜道測(cè)驗(yàn)正式運(yùn)行。水文纜道斷面位于基下24 m，船測(cè)斷面位于基下160 m，兩斷面距離較近。該河段自然形成，左右岸均有拋石護(hù)岸，斷面形狀一致，圖2（a）表示起點(diǎn)距0起算點(diǎn)在右岸，圖2（b）表示起點(diǎn)距0起算點(diǎn)在左岸。兩斷面受相同的水力因素影響，河槽控制基本一致，測(cè)驗(yàn)的流量、輸沙資料為連續(xù)系列。

2 優(yōu)化目的

為推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)方式方法技術(shù)創(chuàng)新，新江口站通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)儀器設(shè)備、優(yōu)化流量測(cè)驗(yàn)方案逐步實(shí)現(xiàn)了駐測(cè)、巡測(cè)等相結(jié)合的管理模式[1-2]。新江口站按水位流量單值化布置流量測(cè)次、優(yōu)化流量測(cè)驗(yàn)方案后，流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)較少;但根據(jù)斷沙過(guò)程線法布置輸沙率測(cè)次，要控制住含沙量變化過(guò)程，斷沙測(cè)驗(yàn)次數(shù)仍然較多，經(jīng)常存在需要測(cè)沙而不需測(cè)流的情況。同時(shí)，水文纜道投入運(yùn)用后，輸沙率測(cè)驗(yàn)取樣采用積時(shí)式采樣器，每條測(cè)驗(yàn)垂線取樣時(shí)必須先施測(cè)垂線平均流速，再計(jì)算取樣歷時(shí);然后根據(jù)取樣歷時(shí)取樣，每線取一個(gè)水樣，纜道要來(lái)回運(yùn)行多次，時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，不利于控制住含沙量變化過(guò)程和搶測(cè)沙峰。

因此，有必要對(duì)新江口站現(xiàn)有泥沙測(cè)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化。采用合理的全面混合法測(cè)驗(yàn)方案，進(jìn)一步精簡(jiǎn)取樣垂線數(shù)量。盡可能在滿足規(guī)范要求的前提下，既能短歷時(shí)、高效率搶測(cè)沙峰，又能減輕工作強(qiáng)度，適應(yīng)斷沙與流量異步測(cè)驗(yàn)[3-4]。

3 測(cè)驗(yàn)方案優(yōu)化

根據(jù)歷年新江口站測(cè)驗(yàn)大斷面變化分析，新江口站測(cè)驗(yàn)斷面比較穩(wěn)定，可采用等部分流量全斷面混合法進(jìn)行懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)，即按等部分流量中心布設(shè)垂線的方法，確定斷面等流中線起點(diǎn)距，根據(jù)實(shí)測(cè)垂線平均含沙量推算等流中線垂線平均含沙量。采用試算的方法從現(xiàn)有纜道測(cè)驗(yàn)斷面中精簡(jiǎn)取樣垂線數(shù)量，根據(jù)精簡(jiǎn)后的垂線位置，采用相鄰等流中線的垂線平均含沙量來(lái)推算精簡(jiǎn)后的取樣垂線處垂線平均含沙量。

3.1 方案優(yōu)化依據(jù)

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB/T 50159-2015）要求，采用不同的懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)方法測(cè)定斷面平均含沙量時(shí)，應(yīng)符合部分流量加權(quán)原理。當(dāng)部分面積不相等時(shí)，按部分面積的權(quán)重系數(shù)（即部分面積與總面積的比值）來(lái)分配各垂線的采樣歷時(shí);再通過(guò)垂線混合法確定各測(cè)點(diǎn)的采樣歷時(shí)，取得的水樣混合處理，即得斷面平均含沙量。斷面輸沙率和斷面平均含沙量的計(jì)算公式為

因此，優(yōu)化纜道泥沙測(cè)驗(yàn)方案時(shí)，只要根據(jù)面積權(quán)重系數(shù)計(jì)算垂線取樣歷時(shí)，就可以得到符合部分流量加權(quán)原理的斷面平均含沙量，在先進(jìn)行取樣垂線精簡(jiǎn)的基礎(chǔ)上，采用積時(shí)式采樣器開(kāi)展全斷面混合法輸沙率測(cè)驗(yàn)。

3.2 優(yōu)化分析

3.2.1 資料依據(jù)

優(yōu)化分析所采用的資料為2003年三峽水庫(kù)蓄水后14 a輸沙率測(cè)驗(yàn)資料，從各年的資料中選出含沙量大于 0.012 kg/m3的輸沙率，共80次（含沙量 0.012 kg/m3以下資料因量值較小不參與方案分析）。其中2003～2013年選點(diǎn)法資料29次，2014年16次，2015年13次，2016年22次;高水期（42.70 m以上）15次，中水期（42.70～39.50 m）46次，低水期（39.50～37.00 m）19次。

3.2.2 優(yōu)化方案

分別采用全斷面混合法計(jì)算出8條、7條…5條垂線等方案相應(yīng)斷面平均含沙量，并與原實(shí)測(cè)斷面平均含沙量進(jìn)行比較，計(jì)算系統(tǒng)誤差及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差。在滿足規(guī)范要求情況下，優(yōu)選出精度較好且垂線數(shù)量較少的方案。

計(jì)算時(shí)，考慮到纜道測(cè)驗(yàn)的時(shí)間較短，且2013年之前新江口站泥沙測(cè)驗(yàn)為船測(cè)，為較好利用2013年前的測(cè)驗(yàn)資料進(jìn)行優(yōu)化比選分析，需對(duì)2013年前的資料進(jìn)行相應(yīng)處理，通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算出纜道測(cè)驗(yàn)斷面成果。因船測(cè)斷面和纜道斷面僅相距136 m，受影響水力因素相同，河槽控制基本一致，可采用等部分流量全斷面混合法的原理，利用船測(cè)成果插補(bǔ)得出纜道測(cè)驗(yàn)斷面的平均含沙量系列。具體方法為：分別根據(jù)船測(cè)斷面和纜道斷面的垂線布置，確定兩斷面等流中線起點(diǎn)距，根據(jù)船測(cè)實(shí)測(cè)垂線平均含沙量計(jì)算等流中線垂線平均含沙量;再由纜道測(cè)驗(yàn)斷面精簡(jiǎn)后垂線的起點(diǎn)距，找出對(duì)應(yīng)船測(cè)斷面的相鄰等流中線，由相鄰等流中線的垂線平均含沙量插補(bǔ)得到對(duì)應(yīng)纜道精簡(jiǎn)后垂線的平均含沙量;然后再計(jì)算全斷面混合法平均含沙量。

對(duì)比采用精簡(jiǎn)5線、6線、7線、8線的全斷面混合法計(jì)算的斷面平均含沙量與原實(shí)測(cè)斷面平均含沙量發(fā)現(xiàn)，各方案誤差均滿足規(guī)范允許值。因此最終采用精簡(jiǎn)5線方案，其取樣垂線與原9線方案的取樣垂線對(duì)比。精簡(jiǎn)后5條取樣垂線起點(diǎn)距分別為70.0，120，150，180，240 m，精簡(jiǎn)5線全斷面混合法計(jì)算斷面含沙量成果與原實(shí)測(cè)值的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。從誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見(jiàn)表2）可以看出，精簡(jiǎn)5線方案相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為 2.0%，隨機(jī)不確定度為 4.0%，系統(tǒng)誤差為-0.1%，各項(xiàng)誤差均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 優(yōu)化后測(cè)驗(yàn)方案

根據(jù)以上分析結(jié)論，可以采用調(diào)壓積時(shí)式采樣器按5線2點(diǎn)全斷面混合法進(jìn)行斷面平均含沙量測(cè)驗(yàn)（5條取樣垂線的起點(diǎn)距分別為70.0，120，150，180，240 m），計(jì)算全斷面取樣總歷時(shí)T，各垂線取樣歷時(shí)由部分面積權(quán)重系數(shù)K值確定。全斷面取樣總歷時(shí)公式為

式中，T為全斷面取樣總歷時(shí)，s;V水為取樣器水樣倉(cāng)有效容積，mL;a為取樣器進(jìn)水管截面積，cm2;為斷面平均流速，cm/s，可采用實(shí)測(cè)斷面平均流速或根據(jù)實(shí)測(cè)水位再由水位流速關(guān)系查得斷面平均流速。

各垂線的取樣歷時(shí)權(quán)重系數(shù)計(jì)算公式為

根據(jù)2003～2016年80次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各精簡(jiǎn)后5條取沙垂線的部分面積，再計(jì)算垂線部分面積權(quán)重，點(diǎn)繪水位-垂線部分面積權(quán)重，計(jì)算各取沙垂線部分面積平均權(quán)重系數(shù)（見(jiàn)表3）。

實(shí)際測(cè)驗(yàn)時(shí)，首先根據(jù)式（6）計(jì)算的全斷面取樣總歷時(shí)，再根據(jù)表3中各取樣垂線平均權(quán)重系數(shù)，計(jì)算每條垂線的取樣歷時(shí)，各垂線按其取樣歷時(shí)取樣后，采用全斷面混合水樣計(jì)算斷面平均含沙量。

4 結(jié) 語(yǔ)

優(yōu)化方案確定的斷面平均含沙量與原實(shí)測(cè)成果相比，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為 2.0%，隨機(jī)不確定度為 4.0%，系統(tǒng)誤差為-0.1%，均滿足《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50159-2015）的有關(guān)要求。新江口站可在纜道測(cè)驗(yàn)斷面采用調(diào)壓積時(shí)式采樣器，按5線2點(diǎn)全斷面混合法進(jìn)行斷面平均含沙量測(cè)驗(yàn)，5線起點(diǎn)距分別為 70.0，120，150，180，240 m。精簡(jiǎn)后的測(cè)驗(yàn)方案既可以短歷時(shí)、高效率搶測(cè)沙峰，又能達(dá)到減輕工作強(qiáng)度的目的。

在對(duì)本方案進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，考慮到2013年之前的資料為船測(cè)斷面成果，纜道斷面測(cè)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短。當(dāng)新江口站采用新的測(cè)驗(yàn)方案進(jìn)行斷面平均含沙量測(cè)驗(yàn)后，每年應(yīng)在高中低水位級(jí)（也應(yīng)考慮沙量級(jí)）布置3～5次9線2點(diǎn)垂線混合法測(cè)驗(yàn)。應(yīng)對(duì)新方案的測(cè)驗(yàn)成果進(jìn)行驗(yàn)證分析，以確定方案的穩(wěn)定性;若發(fā)現(xiàn)新測(cè)驗(yàn)方案誤差不能滿足規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)立即恢復(fù)垂線混合法方案測(cè)驗(yàn)，并重新優(yōu)化分析全斷面混合法方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王俊. 長(zhǎng)江水文測(cè)驗(yàn)方式方法技術(shù)創(chuàng)新的探索與實(shí)踐[J]. 水文， 2011， 31（S1）： 1-3.

[2] 劉東生，陳守榮，李海源，等. 長(zhǎng)江水文測(cè)驗(yàn)方式方法創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)[J]. 水文， 2011， 31（S1）： 4-6.

[3] 黃夏坤，郝振純，羅惠先，等. 懸移質(zhì)取樣垂線流量權(quán)重法測(cè)定斷面平均含沙量的應(yīng)用研究[J]. 泥沙研究， 2009， 4（8）： 63-67.

[4] 丁紅堯，曾文錦. 城陵磯七里山站邊沙與單沙關(guān)系試驗(yàn)研究[J]. 水利水電快報(bào)， 2016， 37（7）： 8-10.