劉昊宗

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116021)

1 概述

隨著水文測(cè)驗(yàn)先進(jìn)技術(shù)的迅速發(fā)展，水文測(cè)驗(yàn)先進(jìn)儀器也在許多流域得到推廣和應(yīng)用?，F(xiàn)行的水文測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目包括水位、流量、泥沙、降水量、蒸發(fā)及墑情等，其中降水、水位、蒸發(fā)已逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)[1]。近些年來(lái)，對(duì)于流量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)得到不斷發(fā)展，如ADCP[2]、電波雷達(dá)[3]等先進(jìn)儀器已在國(guó)內(nèi)許多流域得到應(yīng)用[4- 8]。但對(duì)于泥沙自動(dòng)測(cè)驗(yàn)的起步較晚，當(dāng)前，濁度儀通過對(duì)河流水體濁度進(jìn)行觀測(cè)，建立濁度和含沙量關(guān)系，推求斷面含沙量，在一些流域水文測(cè)站的含沙量測(cè)驗(yàn)中得到應(yīng)用[9- 15]，表明了河流水體中的濁度和含沙量具有一定的相關(guān)性，當(dāng)河流含沙量較低時(shí)，該儀器可監(jiān)測(cè)斷面含砂量，但是水體濁度較大時(shí)，很難建立濁度值和含沙量的相關(guān)關(guān)系，因此濁度儀的適用性不高。為探討濁度儀在熊岳地區(qū)含沙量自動(dòng)監(jiān)測(cè)的適用性，本文采用對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)方式，對(duì)濁度儀的適用性進(jìn)行探討。研究成果對(duì)熊岳地區(qū)河道含沙量測(cè)驗(yàn)方式的改革和創(chuàng)新具有一定參考意義。

2 測(cè)站概況

熊岳水文站位于遼河流域渤海岸水系熊岳河流上，屬于遼寧熊岳鎮(zhèn)的鐵東街。該站集水面積為307km2，占總流域面積的58.2%，距河口距離11km。該站為熊岳河唯一控制站，負(fù)責(zé)水位、流量、泥沙、降水量、水質(zhì)、土壤墑情等測(cè)驗(yàn)任務(wù)。單沙測(cè)驗(yàn)依托人工，采用固定一線方法進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，整編采用近似法。洪水主要來(lái)自上游及區(qū)間降雨所產(chǎn)生的徑流。含沙量隨主流擺動(dòng)，在高洪水階段其含沙量較大，在一般情況下，沙峰提前到達(dá)。該站Z～Q關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，最大含沙量為48000g/m3，發(fā)生在1981年。

3 精度評(píng)價(jià)方法

3.1 精簡(jiǎn)方法

測(cè)量次數(shù)的布設(shè)根據(jù)能夠控制的含沙量變化過程，且滿足估算日均含沙量、輸沙率的需要。在5—9月，水位或含沙量變化較大的沙峰過程，日測(cè)單樣不少于2次，在沙峰峰值和含沙量變化的拐點(diǎn)處，應(yīng)適當(dāng)增加測(cè)次。選取2021年7—8月下旬熊岳站的60次含沙量進(jìn)行分析。

3.2 精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

比較檢驗(yàn)精度的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別是系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度和標(biāo)準(zhǔn)差，各指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

(1)系統(tǒng)誤差

ΔN=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

(2)標(biāo)準(zhǔn)差

(2)

(3)隨機(jī)不確定度

X′Cs=2se

(3)

XCs=X′Cs/2×1.15

(4)

4 精簡(jiǎn)分析結(jié)果

4.1 測(cè)沙垂線布置

選擇熊岳站3個(gè)測(cè)驗(yàn)斷面，分別是上比降斷面、基本斷面、下比降斷面，各測(cè)驗(yàn)斷面起點(diǎn)距范圍見表1，并在3個(gè)斷面的同一位置布置6條單沙垂線，見表2。

表1 對(duì)比觀測(cè)斷面起點(diǎn)距范圍

表2 測(cè)沙垂線分布情況

4.2 轉(zhuǎn)換方程分析

對(duì)不同測(cè)沙垂線建立濁度值和含沙量的相關(guān)方程，并將濁度儀推求的含沙量和傳統(tǒng)人工觀測(cè)的含沙量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。

在各測(cè)沙垂線相同位置進(jìn)行同步對(duì)比觀測(cè)，將濁度儀和人工監(jiān)測(cè)的含沙量進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換方程的率定。從率定分析結(jié)果可看出，對(duì)比觀測(cè)分析時(shí)斷面含沙量均低于0.3kg/m3，而此時(shí)熊岳水文站斷面含沙量和濁度值具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)總體在0.45以上。通過各條測(cè)沙垂線含沙量和濁度值的轉(zhuǎn)換率定公式即可以對(duì)斷面的含沙量進(jìn)行推求。

表3 濁度儀和含沙量轉(zhuǎn)換率定公式分析結(jié)果

4.3 對(duì)比觀測(cè)精度分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，對(duì)含沙量進(jìn)行了分析比較，并判定是否符合其精度要求，其結(jié)果見表4。

結(jié)合各測(cè)沙垂線建立的濁度儀和含沙量轉(zhuǎn)換方程進(jìn)行了6組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)采用濁度儀推求的斷面含沙量和傳統(tǒng)人工觀測(cè)的含沙量進(jìn)行精度的平度。根據(jù)GBT 50159—2015《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的要求，需要對(duì)符合、適線以及隨機(jī)不確定度進(jìn)行檢驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)其標(biāo)準(zhǔn)差和系統(tǒng)誤差，當(dāng)符號(hào)試驗(yàn)值小于0.6時(shí)，為合格。從各組對(duì)比觀測(cè)值可看出，符合檢驗(yàn)值均在0.6以下，全部通過檢驗(yàn)，符合要求。適線試驗(yàn)主要用于確定含沙量的垂線。當(dāng)適線檢驗(yàn)值在±1.0以內(nèi)均可以通過適線檢驗(yàn)，從各適線的測(cè)試值可以看出，適線檢驗(yàn)值均在±1.0以內(nèi)，達(dá)到免檢和合格要求。從各組測(cè)沙垂線隨機(jī)不確定度分析結(jié)果可看出，隨機(jī)不確定度在1.17～1.63之間，表明各組測(cè)沙垂線含沙量和濁度儀推求的斷面含沙量之間無(wú)系統(tǒng)偏差。從檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差可看出，6組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)采用濁度儀推求的斷面含沙量和各測(cè)沙垂線含沙量之間的標(biāo)準(zhǔn)差低于15%，達(dá)到河流泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求的20%的誤差范圍要求。從系統(tǒng)誤差可看出，各測(cè)沙垂線系統(tǒng)誤差低于±20%，滿足系統(tǒng)誤差的精度要求。

表4 熊岳水文站含沙量比測(cè)分析

5 結(jié)論

(1)熊岳水文站斷面含沙量和濁度值具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)總體在0.45以上。通過建立各條測(cè)沙垂線的含沙量和濁度值的轉(zhuǎn)換率定公式即可以對(duì)斷面的含沙量進(jìn)行推求。

(2)為能較好的建立含沙量和濁度的相關(guān)方程，建議在比測(cè)試驗(yàn)時(shí)將觀測(cè)次數(shù)安排在10～20次左右，并均勻分布測(cè)沙垂線，一般對(duì)比觀測(cè)的測(cè)沙垂線不少于5～6條。

(3)本文未探討水體濁度值對(duì)于濁度儀觀測(cè)精度的影響，在后續(xù)研究中還應(yīng)重點(diǎn)探討水體濁度值的適用范圍。