羅興，張民，王慶，趙雄飛，王仕棋，唐聰

摘要：為了研究城陵磯（七里山）水文站綜合單斷沙關(guān)系線，減少城陵磯（七里山）水文站輸沙測(cè)驗(yàn)次數(shù)，提高洞庭湖入?yún)R長(zhǎng)江輸沙量計(jì)算精度，采用相關(guān)系數(shù)法對(duì)該站2007～2021年間單斷沙實(shí)測(cè)整編成果進(jìn)行單斷沙相關(guān)性分析。結(jié)果表明：綜合單斷沙關(guān)系線采用Cs斷=0.984 8Cs單（Cs斷為斷面平均含沙量，Cs單為單位含沙量）關(guān)系式時(shí)，各年單斷沙關(guān)系線與綜合單斷沙關(guān)系線最大相對(duì)偏離為-1.52%，年平均含沙量、年輸沙量推求誤差均不大于3%，滿足規(guī)范要求。研究成果可為優(yōu)化城陵磯（七里山）水文站含沙量測(cè)驗(yàn)方案提供參考。

關(guān)鍵詞：水文測(cè)驗(yàn)； 單斷沙關(guān)系； 城陵磯（七里山）水文站； 洞庭湖

中圖法分類號(hào)：P333? ? ? ? ? ? ? ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.005

文章編號(hào)：1006-0081（2024）03-0030-05

0引言

水文測(cè)站單斷沙關(guān)系分析是以水文站實(shí)測(cè)懸移質(zhì)泥沙數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立斷面平均含沙量Cs斷與單位含沙量Cs單之間相關(guān)關(guān)系，采用單位含沙量（簡(jiǎn)稱“單沙”）推算斷面平均含沙量（簡(jiǎn)稱“斷沙”），是實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)懸移質(zhì)泥沙間斷測(cè)量的重要手段［1-4］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多地區(qū)針對(duì)不同水文測(cè)站水沙特性，結(jié)合系列含沙量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了站點(diǎn)的單斷沙關(guān)系線［5-9］?？锿龋?0］對(duì)皇莊水文站單斷沙方案進(jìn)行了優(yōu)化分析，并通過(guò)對(duì)枯季輸沙率測(cè)驗(yàn)優(yōu)化測(cè)次布置，發(fā)現(xiàn)輸沙率測(cè)驗(yàn)測(cè)次每月不少于2次即可滿足各項(xiàng)特征值的精度要求。然而，測(cè)站的水沙條件、斷面沖淤變化趨勢(shì)、下游頂托程度等不同會(huì)導(dǎo)致其單斷沙關(guān)系亦各不相同，成果無(wú)法直接借用，需單獨(dú)分析。

城陵磯（七里山）水文站始建于 1904 年，作為水利部首批“百年水文站”，測(cè)站歷史悠久，地理位置重要，是監(jiān)測(cè)洞庭湖匯入長(zhǎng)江水沙的重要控制站［5］。該站位于洞庭湖與長(zhǎng)江匯合口上游3.5 km處，洞庭湖9條不同水系來(lái)水對(duì)洞庭湖出口的水文特性產(chǎn)生不同影響，加上江湖匯流的影響，長(zhǎng)江干流頂托現(xiàn)象嚴(yán)重，水沙關(guān)系復(fù)雜，使得含沙量測(cè)驗(yàn)測(cè)次較多。該站每年單位含沙量測(cè)次約100余次，斷面含沙量測(cè)次約20余次，測(cè)驗(yàn)方式常規(guī)，測(cè)驗(yàn)成本較高。為了減少城陵磯（七里山）水文站含沙量測(cè)驗(yàn)次數(shù)，提高洞庭湖入?yún)R長(zhǎng)江輸沙量計(jì)算精度，本文采用相關(guān)系數(shù)法對(duì)2007～2021年城陵磯（七里山）水文站單斷沙實(shí)測(cè)整編成果進(jìn)行單斷沙相關(guān)性分析，驗(yàn)證其精度要求。通過(guò)2022年單斷沙數(shù)據(jù)對(duì)關(guān)系式進(jìn)行應(yīng)用評(píng)估，可為優(yōu)化城陵磯（七里山）水文站含沙量測(cè)驗(yàn)方案提供重要參考依據(jù)。

1城陵磯（七里山）水文站

1.1測(cè)站情況

城陵磯（七里山）水文站位于湖南省岳陽(yáng)市洞庭湖與長(zhǎng)江匯合口處上游3.5 km處，是監(jiān)測(cè)洞庭湖出湖水沙情的重要水文站，是國(guó)家一類精度流量、泥沙站。測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度約 2.0 km，測(cè)驗(yàn)斷面為復(fù)式沙質(zhì)河床，左岸為蘆葦灘地，右岸為漿砌石墻。水位流量關(guān)系受湘、資、沅、澧“四水”及長(zhǎng)江入湖太平口、松滋口、藕池口“三口”來(lái)水的洪水漲落影響，亦受荊江來(lái)水的頂托影響，水位-流量關(guān)系復(fù)雜?，F(xiàn)斷面啟用于1952年4月，年內(nèi)沖淤變化不大，屬穩(wěn)定河床。城陵磯（七里山）水文站測(cè)站位置示意見圖1。

城陵磯（七里山）水文站斷面主要泥沙來(lái)源為洞庭湖“四水”和長(zhǎng)江“三口”來(lái)沙。其中，長(zhǎng)江“三口”來(lái)沙經(jīng)西、南洞庭湖的調(diào)蓄沉降后，不易在城陵磯斷面形成明顯沙峰過(guò)程。然而，每年汛前，洞庭湖區(qū)水位整體偏低，此時(shí)“四水”流域（主要為湘江流域）較大來(lái)水易在城陵磯（七里山）水文站形成洪水過(guò)程，俗稱“桃花汛”。因此，每年2～6月湘江來(lái)水是城陵磯水文斷面形成沙峰過(guò)程的主要成因。三峽工程建成前后城陵磯（七里山）水文站典型年份日平均含沙量過(guò)程線見圖2。

1.2泥沙測(cè)驗(yàn)方法

城陵磯（七里山）水文站泥沙測(cè)驗(yàn)方法按照GB/T 50159-2015《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》執(zhí)行，測(cè)次的布置以能控制含沙量的變化過(guò)程，滿足推算逐日平均含沙量、輸沙率及特征值的需要為原則。懸移質(zhì)含沙量采用全斷面輸沙和相應(yīng)單沙測(cè)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，單沙取樣3條垂線起點(diǎn)距為480，720 m和960 m，取樣計(jì)算方法為3線等權(quán)2∶1∶1混合。全斷面輸沙取樣8條垂線起點(diǎn)距為180，340，480，600，720，840，960 m和1080 m，測(cè)驗(yàn)方法均為全斷面8線0.2，0.6，0.8三點(diǎn)2∶1∶1垂線混合。

2單斷沙關(guān)系線分析

2.1資料選取

三峽工程運(yùn)行期初期城陵磯（七里山）水文站水位、含沙量變幅分布情況如下：1951～2022年，城陵磯（七里山）水文站水位變幅為17.27～35.94 m，年平均含沙量為0.029～0.248 kg/m3，年最大含沙量為0.079～1.700 kg/m3。其中，2007～2022年間水位變幅為19.12～34.74 m，年平均含沙量為0.029～0.128 kg/m3，年最大含沙量為0.079～0.541 kg/m3。由此可見，三峽工程運(yùn)行期初期，城陵磯（七里山）水文站水位變幅略有減小，占工程前變幅的83.66 %；含沙量明顯減少，年最大含沙量和年平均含沙量變幅分別占三峽工程建成前的28.50%和45.21%。

考慮到三峽工程建成后水沙變化特性，本次分析資料采用三峽工程初期運(yùn)行期后15 a間（2007～2021年）城陵磯（七里山）水文站懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)資料（共計(jì)416次）進(jìn)行綜合單斷沙關(guān)系線分析，并采用分析成果對(duì)2022年極枯年水情條件下的泥沙成果進(jìn)行驗(yàn)算，其中，2007～2010年12次15線75點(diǎn)選點(diǎn)法資料不參與定線。研究時(shí)段內(nèi)測(cè)驗(yàn)資料序列連續(xù)，測(cè)驗(yàn)方法一致，水位變幅覆蓋范圍較大，具有很強(qiáng)的代表性。城陵磯（七里山）水文站2007～2021年含沙量整編方法見表1。

2.2分析方法

本次單斷沙關(guān)系分析主要依據(jù)GB/T 50159-2015《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》、長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局編《水文測(cè)驗(yàn)補(bǔ)充技術(shù)規(guī)定》（2018）以及SL/T 247-2020《水文資料整編規(guī)范》?；谘芯空军c(diǎn)近15 a的實(shí)測(cè)輸沙率成果資料進(jìn)行斷面平均含沙量與單位含沙量之間的相關(guān)關(guān)系分析，在分析各年單斷沙關(guān)系變化的基礎(chǔ)上，點(diǎn)繪確定綜合單斷沙關(guān)系圖，并進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)。

2.3綜合單斷沙關(guān)系線分析

根據(jù)《水文測(cè)驗(yàn)補(bǔ)充技術(shù)規(guī)定》（2018）要求：?jiǎn)螖嗌酬P(guān)系檢驗(yàn)時(shí)，含沙量小于0.1 kg/m3（以相應(yīng)單沙判斷）的單斷沙關(guān)系點(diǎn)可不參加關(guān)系曲線檢驗(yàn)?？紤]到研究時(shí)段內(nèi)，除沙峰過(guò)程外，城陵磯（七里山）水文站含沙量普遍小于0.1 kg/m3，本次研究過(guò)程仍保留時(shí)段內(nèi)含沙量小于0.1 kg/m3（以相應(yīng)單沙判斷）的單斷沙關(guān)系點(diǎn)。通過(guò)對(duì)416個(gè)實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到綜合單斷沙關(guān)系如下：

Cs斷=0.984 8Cs單

經(jīng)檢驗(yàn)，該單斷沙綜合關(guān)系線檢驗(yàn)結(jié)果滿足SL/T 247-2020《水文資料整編規(guī)范》，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

3誤差分析

3.1單斷沙關(guān)系線誤差分析

對(duì)城陵磯（七里山）水文站15 a的單斷沙關(guān)系線與所定綜合單斷沙關(guān)系線進(jìn)行誤差分析或精度檢驗(yàn)，其中，2007，2008，2009，2011年和2015年單斷沙關(guān)系整編線型為折線，2010年單斷沙關(guān)系整編線型為曲線，對(duì)上述年份進(jìn)行精度檢驗(yàn)，其余年份做誤差分析。將2012～2014年、2016～2021年單斷沙關(guān)系線與所定綜合單斷沙關(guān)系線套繪（圖3），并進(jìn)行相對(duì)誤差分析，結(jié)果見表3。由表3分析可知，2012～2014年、2016～2021年單斷沙換算系數(shù)均控制在0.9778～1.000范圍，相對(duì)誤差在-1.52%～0.72%之間，滿足GB/T 50159-2015《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中誤差在±3%以內(nèi)的要求。

對(duì)2007，2008，2009，2010，2011年和2015年實(shí)測(cè)資料進(jìn)行重新定線和檢驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)單斷關(guān)系采用Cs斷 = 0.984 8Cs單時(shí)，各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均合格（表4），綜合單斷沙關(guān)系線滿足精度要求。

3.2年平均含沙量、年輸沙量、特征值精度分析

為分析歷年單斷沙關(guān)系線與歷年整編成果所推算的年平均含沙量、年輸沙量的誤差，應(yīng)用南方片整匯編軟件，采用綜合單斷沙關(guān)系線對(duì)2007～2021年資料進(jìn)行了還原計(jì)算，并與整編成果進(jìn)行對(duì)比，年輸沙量、年平均含沙量相對(duì)誤差計(jì)算見表5。結(jié)果表明：年平均含沙量、年輸沙量推求誤差均不大于3%。因此，年平均含沙量、年輸沙量可以用所定綜合單斷沙關(guān)系線來(lái)推求。單斷沙關(guān)系為直線情況下推算年最大含沙量、最小含沙量相對(duì)誤差，見表6。

3.3典型洪水過(guò)程含沙量變化對(duì)比

為分析歷年單斷沙關(guān)系線在典型洪水過(guò)程中的應(yīng)用情況，挑選2020年長(zhǎng)江流域性大洪水過(guò)程進(jìn)行含沙量過(guò)程對(duì)比。采用綜合單斷關(guān)系線對(duì)2020年6～9月資料進(jìn)行了還原計(jì)算，并與整編成果進(jìn)行了對(duì)比，過(guò)程線見圖4。結(jié)果表明，推算成果與整編成果相對(duì)偏差介于-2.94%～0.00%。

42022年應(yīng)用評(píng)估

2022年夏季，長(zhǎng)江流域遭遇了自1961年有完整氣象觀測(cè)記錄以來(lái)最嚴(yán)重的氣象干旱，汛期發(fā)生流域性嚴(yán)重枯水。在此特殊水情下，城陵磯（七里山）水文站以Cs斷=0.984 8Cs單關(guān)系式為單斷沙關(guān)系對(duì)2022年泥沙成果進(jìn)行定線和檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果：年實(shí)測(cè)最大斷面含沙量0.220 kg/m3（11月29日），實(shí)測(cè)最小斷面含沙量0.038 kg/m3（7月22日），年推算最大斷面含沙量0.227 kg/m3（12月15日），年推算最小斷面含沙量0.024 kg/m3（7月1日），推算結(jié)果合理。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)中，符號(hào)檢驗(yàn)為0.58，適線檢驗(yàn)為-2.41，偏離數(shù)值檢驗(yàn)為0.30，隨機(jī)不確定度為10.8%，系統(tǒng)誤差為-0.4%，均滿足SL/T 247-2020《水文資料整編規(guī)范》要求。因此，2022年城陵磯（七里山）水文站刊印成果采用本關(guān)系式推算。

5結(jié)論

三峽工程初期運(yùn)行期后，年特征水位無(wú)顯著變化，城陵磯（七里山）水文站水位變幅為19.12～34.74 m，水位變幅占1951年以來(lái)的83.66%；含沙量顯著減少，最大含沙量和平均含沙量變幅分別占三峽工程建成前的28.50%和45.21%。考慮到三峽工程建成后水沙變化特性，本文通過(guò)對(duì)2007～2021年共15 a的416份實(shí)測(cè)輸沙率成果進(jìn)行分析，并采用該分析成果對(duì)2022年極枯年水情條件下的泥沙成果進(jìn)行驗(yàn)算，主要得到以下結(jié)論。

（1） 城陵磯（七里山）水文站綜合單斷沙關(guān)系線為過(guò)原點(diǎn)的直線，關(guān)系線系數(shù)k=0.984 8。

（2） 經(jīng)單斷沙關(guān)系線誤差分析，各年單斷沙關(guān)系線與綜合單斷沙關(guān)系線最大相對(duì)偏離為-1.52%，小于±3%，綜合單斷沙關(guān)系線符合規(guī)范相關(guān)要求。

（3） 采用綜合單斷沙關(guān)系線對(duì)2007～2021年資料進(jìn)行了還原計(jì)算，并與整編成果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，年平均含沙量、年輸沙量推求誤差均不大于3%，滿足規(guī)范要求。

（4） 采用綜合單斷沙關(guān)系線對(duì)2022年嚴(yán)重枯水年資料進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，推算成果與實(shí)測(cè)結(jié)果合理，滿足規(guī)范要求。

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（編輯：李慧）

Analysis of index and cross-sectional mean sediment concentration relation line at Chenglingji （Qili Mountain） Hydrographic Station

LUO Xing，ZHANG Min，WANG Qing，ZHAO Xiongfei，WANG Shiqi，TANG Cong

（Middle Yangtze River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：?To study the comprehensive index and cross-sectional mean sediment relationship line of Chenglingji （Qili Mountain） Hydrographic Station，reduce the test times of sediment transport at the station and improve the calculation accuracy of sediment transport of Dongting Lake into Yangtze River，the correlation coefficient method was used to analyze the comprehensive index and cross-sectional mean sediment correlation results of the index and cross-sectional mean sediment survey from 2007 to 2021.The results showed that the comprehensive index and cross-sectional mean sediment relationship of Chenglingji Hydrology Station was stable when Cs comprehensive=0.984 8Cs cross-sectional sediment relationship was adopted（Cs comprehensive as the average sediment concentration of the section，and Cs cross-sectional as the index sediment concentration）.The largest deviation of cross-sectional mean sediment and comprehensive index relationship line was -1.52%，and the error of annual sediment concentration and sediment transport were within 3%，which met the standard accuracy requirements.The research results can provide an important reference for optimizing the sediment content measurement scheme of Chenglingji Hydrology Station，which had a positive significance for the reform of the hydrological measurement method of the station.

Key words：?hydrologic test； index and cross-sectional mean sediment relationship； Chenglingji （Qili Mountain） Hydrographic Station； Dongting Lake