潜江水文站悬移质泥沙测点精简分析

(长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉 430012)

1 测站概况

潜江水文站隶属长江水利委员会水文局管辖，是控制汉江分流入汇东荆河水情的基本站，承担着汉江中下游地区及东荆河流域的防汛测报、工农业生产生活用水以及流域水资源保护的保障任务。站址位于湖北省潜江市园林镇深河村，地理位置为东经112°52′，北纬30°27′。该站为国家重点水文站，二类精度水文站、泥沙站。

测验断面位于汉江分流入汇东荆河入口约7 km处。测验河段主河槽顺直，长约1 km。上、下游约500 m均有弯道。水位达 38.00 m时开始漫滩，左滩河坎为砖砌护坡，滩宽约60 m，右滩宽1 500 m。河床走沙频繁，属游荡型沙质河床。东荆河主泓偏左。洪水主要来源于汉江分流。每年春汛5～7月、秋汛8～11月，秋汛为主汛期。水位-流量关系既受洪水涨落、断面冲淤以及兴隆水利枢纽调节影响，亦受下游约 3.5 km田关闸排水和区间降水影响。水位-流量关系低水期为临时单一线，受下游田关闸排水顶托时为反绳套。秋汛涨落频繁，曲线为复式绳套。

潜江水文站测验大断面如图1所示，目前悬移质输沙率测验方法是：在固定起点距20，30，40，50，60，70，90，110，130 m和150 m处根据水面宽情况，采用5～10线按1 ∶1 ∶1垂线混合法取样。输沙取样方法在水深1.50 m(或2.00 m)以下，取样时输沙测点与流速测点配套，可以采用一点法取样。近岸边测沙垂线随测速垂线变化，根据高、中、低水位适当调整。

图1 潜江水文站大断面

2 开展精简分析的意义

2017年以前，潜江水文站流量、泥沙测验均采用船测法，一般一次测验过程约为1 h。从2017年开始，为保证测验安全，测验方式改用水文缆道，一次测验过程约为3 h。在满足《河流悬移质泥沙测验规范》[1]规定的前提下，很有必要开展泥沙测点精简。若精简方案实施成功，既可减轻劳动强度、提高测验工作效率，又能节省人力、物力，以便把时间和精力投入到新的监测领域，拓展水文发展领域，更好地开展水文水资源服务。

表1 不同取样方法垂线平均含沙量

3 常测法精简分析

3.1 样本选择

在潜江水文站历年测验资料中，选取了2004年7月21日、2005年7月13日、2007年7月6日、2008年7月26日、2009年5月31日、2010年7月22日(按照顺序简称为1，2，3，4，5，6测次)共6次(五点法)测验资料。通过这些资料，提取出相对水深 0.2，0.8和0.6处测点含沙量，并计算垂线平均含沙量、断面平均含沙量和断面输沙率。再通过精简测点来计算垂线平均含沙量、断面平均含沙量和断面输沙率，比较精简前后的误差大小来确定取样方案。

3.2 方案确定

根据《河流悬移质泥沙测验规范》规定，悬移质输沙率垂线测验方法可采用选点法、积深法和垂线混合法。

潜江水文站现有悬移质泥沙测验方法是三点法(0.2,0.6,0.8)按1 ∶1 ∶1垂线混合法采样，为了精简测点，有两种方案可供选择：二点法(0.2，0.8)和一点法(0.6)。

3.3 误差分析

根据《河流流量测验规范》[2]《河流悬移质泥沙测验规范》规定方法计算垂线平均含沙量、断面平均含沙量和断面输沙率。

3.3.1 垂线平均含沙量误差分析

采用选点法测验时，垂线平均含沙量应按下列公式计算[1-2]：

(1)五点法。

Csm=(V0.0Cs0.0+3V0.2Cs0.2+3V0.6Cs0.6+2V0.8Cs0.8+V1.0Cs1.0)10Vm

(1)

式中，Csm为垂线平均含沙量，kg/m3；Vm为垂线平均流速，m/s；V0.0为水面流速，m/s；V0.2为相对水深0.2测点流速，m/s；V0.6为相对水深0.6测点流速，m/s；V0.8为相对水深0.8测点流速，m/s；V1.0为河底测点流速，m/s；Cs0.0为水面含沙量，kg/m3；Cs0.2为相对水深0.2测点含沙量，kg/m3；Cs0.6为相对水深0.6测点含沙量，kg/m3；Cs0.8为相对水深0.8测点含沙量, kg/m3；Cs1.0为河底测点含沙量，kg/m3。

(2)二点法。

Csm=(V0.2Cs0.2+V0.8Cs0.8)/(V0.2+V0.8)

(2)

(3)一点法。

Csm=η1Cs0.6

(3)

式中，η1为一点法系数，可根据多点法试验资料分析确定，根据五点法计算的垂线平均含沙量与一点法测得的垂线平均含沙量的比值统计决定；无试验资料时可采用1。本文研究η1取为1进行计算。

通过计算，五点法(实测资料)、二点法、一点法的垂线平均含沙量成果如表1所示。

CsⅡ型误差按下列公式计算[3]：

EⅡ(i，j)=Csm(i，j)/(Csmj-1)

(4)

(5)

(6)

式中，EⅡ(i，j)为某试验组第j条垂线，按i个测点计算的垂线平均Cs的Ⅱ型误差；Csm(i，j)为某试验组第j条垂线，按i个测点计算的垂线平均含沙量，kg/m3；Csmj为第j条垂线多点计算的垂线平均含沙量的近似真值，kg/m3；μⅡ(i)为按i个测点计算的垂线平均含沙量Cs的Ⅱ型误差平均值，即系统误差；J为试验垂线数；SⅡ(i)为按i个测点计算的垂线平均含沙量Cs的Ⅱ型误差的相对标准差(%)。

悬移质泥沙测验不确定度采用相对不确定度评估，随机不确定度在数值上采用2倍标准差，系统不确定度结果如表2所示。

表2 各年随机不确定度和系统不确定度

各类站应根据不同精度要求，对各分项随机不确定度和系统不确定度按表3进行控制。

表3 各分项随机不确定度与系统不确定度控制 %

注：X′为随机不确定度，X″为系统不确定度，n为试验组数。

通过计算可以看出，采用二点法取样时，随机不确定度为 0.6%～8.2%，小于规范规定的16%；系统不确定度为-0.4%～2.6%，小于规范规定的±3.0%。采用一点法取样时，随机不确定度为1.2%～16.6%，系统不确定度为-5.2%～1.2%，其中，2007年随机不确定度超规范规定，2007年和2008年系统不确定度超规范规定。

3.3.2 断面平均含沙量误差分析

采样分析方法的不同，断面平均含沙量的计算结果也不同。具体成果如表4所示。

对采用二点法、一点法采样方法得出的断面平均含沙量与采用五点法得出的断面平均含沙量进行误差统计，主要成果见表5。

从计算结果可以看出，采用二点法取样时，断面平均含沙量误差范围为0～1.9%，采用一点法取样时，断面平均含沙量误差范围为-3.8%～0。

3.3.3 断面输沙率误差分析

采样方法的不同，断面输沙率的计算结果也不同，具体成果及误差见表6与表7。

表4 断面平均含沙量及精简后误差计算结果

表5 精简后断面平均含沙量误差统计

表6 断面输沙率及精简后误差计算结果

表7 精简后断面输沙率误差统计

从计算结果可以看出，采用二点法取样时，断面输沙率误差范围为0～1.9%，采用一点法取样时，断面输沙率误差范围为-4.2%～0。

4 结 语

(1)悬移质泥沙测验采用二点法(0.2，0.8)是可行的，既保证了资料的精度，又能够大大缩短泥沙测验内外业时间，提高了水文测验工作效率。

(2)在今后的悬移质泥沙测验工作中，应进一步尝试减少取样垂线数和引进现场测沙仪器，作进一步对比分析，做到保证满足资料精度的同时减少测验工作量。