城陵矶（七里山）水文站单断沙关系分析

罗兴，张民，王庆，赵雄飞，王仕棋，唐聪

摘要：为了研究城陵矶（七里山）水文站综合单断沙关系线，减少城陵矶（七里山）水文站输沙测验次数，提高洞庭湖入汇长江输沙量计算精度，采用相关系数法对该站2007～2021年间单断沙实测整编成果进行单断沙相关性分析。结果表明：综合单断沙关系线采用Cs断=0.984 8Cs单（Cs断为断面平均含沙量，Cs单为单位含沙量）关系式时，各年单断沙关系线与综合单断沙关系线最大相对偏离为-1.52%，年平均含沙量、年输沙量推求误差均不大于3%，满足规范要求。研究成果可为优化城陵矶（七里山）水文站含沙量测验方案提供参考。

关键词：水文测验； 单断沙关系； 城陵矶（七里山）水文站； 洞庭湖

中图法分类号：P333                文献标志码：A                   DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.005

文章编号：1006-0081（2024）03-0030-05

0引言

水文测站单断沙关系分析是以水文站实测悬移质泥沙数据为基础，通过建立断面平均含沙量Cs断与单位含沙量Cs单之间相关关系，采用单位含沙量（简称“单沙”）推算断面平均含沙量（简称“断沙”），是实现站点悬移质泥沙间断测量的重要手段［1-4］。近年来，国内许多地区针对不同水文测站水沙特性，结合系列含沙量测验数据，建立了站点的单断沙关系线［5-9］。匡威等［10］对皇庄水文站单断沙方案进行了优化分析，并通过对枯季输沙率测验优化测次布置，发现输沙率测验测次每月不少于2次即可满足各项特征值的精度要求。然而，测站的水沙条件、断面冲淤变化趋势、下游顶托程度等不同会导致其单断沙关系亦各不相同，成果无法直接借用，需单独分析。

城陵矶（七里山）水文站始建于 1904 年，作为水利部首批“百年水文站”，测站历史悠久，地理位置重要，是监测洞庭湖汇入长江水沙的重要控制站［5］。该站位于洞庭湖与长江汇合口上游3.5 km处，洞庭湖9条不同水系来水对洞庭湖出口的水文特性产生不同影响，加上江湖汇流的影响，长江干流顶托现象严重，水沙关系复杂，使得含沙量测验测次较多。该站每年单位含沙量测次约100余次，断面含沙量测次约20余次，测验方式常规，测验成本较高。为了减少城陵矶（七里山）水文站含沙量测验次数，提高洞庭湖入汇长江输沙量计算精度，本文采用相关系数法对2007～2021年城陵矶（七里山）水文站单断沙实测整编成果进行单断沙相关性分析，验证其精度要求。通过2022年单断沙数据对关系式进行应用评估，可为优化城陵矶（七里山）水文站含沙量测验方案提供重要参考依据。

1城陵矶（七里山）水文站

1.1测站情况

城陵矶（七里山）水文站位于湖南省岳阳市洞庭湖与长江汇合口处上游3.5 km处，是监测洞庭湖出湖水沙情的重要水文站，是国家一类精度流量、泥沙站。测验河段顺直长度约 2.0 km，测验断面为复式沙质河床，左岸为芦苇滩地，右岸为浆砌石墙。水位流量关系受湘、资、沅、澧“四水”及长江入湖太平口、松滋口、藕池口“三口”来水的洪水涨落影响，亦受荆江来水的顶托影响，水位-流量关系复杂。现断面启用于1952年4月，年内冲淤变化不大，属稳定河床。城陵矶（七里山）水文站测站位置示意见图1。

城陵矶（七里山）水文站断面主要泥沙来源为洞庭湖“四水”和长江“三口”来沙。其中，长江“三口”来沙经西、南洞庭湖的调蓄沉降后，不易在城陵矶断面形成明显沙峰过程。然而，每年汛前，洞庭湖区水位整体偏低，此时“四水”流域（主要为湘江流域）较大来水易在城陵矶（七里山）水文站形成洪水过程，俗称“桃花汛”。因此，每年2～6月湘江来水是城陵矶水文断面形成沙峰过程的主要成因。三峡工程建成前后城陵矶（七里山）水文站典型年份日平均含沙量过程线见图2。

1.2泥沙测验方法

城陵矶（七里山）水文站泥沙测验方法按照GB/T 50159-2015《河流悬移质泥沙测验规范》执行，测次的布置以能控制含沙量的变化过程，满足推算逐日平均含沙量、输沙率及特征值的需要为原则。悬移质含沙量采用全断面输沙和相应单沙测验相结合的方式进行测验，单沙取样3条垂线起点距为480，720 m和960 m，取样计算方法为3线等权2∶1∶1混合。全断面输沙取样8条垂线起点距为180，340，480，600，720，840，960 m和1080 m，测验方法均为全断面8线0.2，0.6，0.8三点2∶1∶1垂线混合。

2单断沙关系线分析

2.1资料选取

三峡工程运行期初期城陵矶（七里山）水文站水位、含沙量变幅分布情况如下：1951～2022年，城陵矶（七里山）水文站水位变幅为17.27～35.94 m，年平均含沙量为0.029～0.248 kg/m3，年最大含沙量为0.079～1.700 kg/m3。其中，2007～2022年间水位变幅为19.12～34.74 m，年平均含沙量为0.029～0.128 kg/m3，年最大含沙量为0.079～0.541 kg/m3。由此可见，三峡工程运行期初期，城陵矶（七里山）水文站水位变幅略有减小，占工程前变幅的83.66 %；含沙量明显减少，年最大含沙量和年平均含沙量变幅分别占三峡工程建成前的28.50%和45.21%。

考虑到三峡工程建成后水沙变化特性，本次分析资料采用三峡工程初期运行期后15 a间（2007～2021年）城陵矶（七里山）水文站悬移质输沙率测验资料（共计416次）进行综合单斷沙关系线分析，并采用分析成果对2022年极枯年水情条件下的泥沙成果进行验算，其中，2007～2010年12次15线75点选点法资料不参与定线。研究时段内测验资料序列连续，测验方法一致，水位变幅覆盖范围较大，具有很强的代表性。城陵矶（七里山）水文站2007～2021年含沙量整编方法见表1。

2.2分析方法

本次单断沙关系分析主要依据GB/T 50159-2015《河流悬移质泥沙测验规范》、长江水利委员会水文局编《水文测验补充技术规定》（2018）以及SL/T 247-2020《水文资料整编规范》。基于研究站点近15 a的实测输沙率成果资料进行断面平均含沙量与单位含沙量之间的相关关系分析，在分析各年单断沙关系变化的基础上，点绘确定综合单断沙关系图，并进行符号检验、适线检验和偏离数值检验。

2.3综合单断沙关系线分析

根据《水文测验补充技术规定》（2018）要求：单断沙关系检验时，含沙量小于0.1 kg/m3（以相应单沙判断）的单断沙关系点可不参加关系曲线检验。考虑到研究时段内，除沙峰过程外，城陵矶（七里山）水文站含沙量普遍小于0.1 kg/m3，本次研究过程仍保留时段内含沙量小于0.1 kg/m3（以相应单沙判断）的单断沙关系点。通过对416个实测悬移质输沙率测验资料进行统计分析，得到综合单断沙关系如下：

Cs断=0.984 8Cs单

经检验，该单断沙综合关系线检验结果满足SL/T 247-2020《水文资料整编规范》，检验结果见表2。

3误差分析

3.1单断沙关系线误差分析

对城陵矶（七里山）水文站15 a的单断沙关系线与所定综合单断沙关系线进行误差分析或精度检验，其中，2007，2008，2009，2011年和2015年单断沙关系整编线型为折线，2010年单断沙关系整编线型为曲线，对上述年份进行精度检验，其余年份做误差分析。将2012～2014年、2016～2021年单断沙关系线与所定综合单断沙关系线套绘（图3），并进行相对误差分析，结果见表3。由表3分析可知，2012～2014年、2016～2021年单断沙换算系数均控制在0.9778～1.000范围，相对误差在-1.52%～0.72%之间，满足GB/T 50159-2015《河流悬移质泥沙测验规范》中误差在±3%以内的要求。

对2007，2008，2009，2010，2011年和2015年实测资料进行重新定线和检验。结果表明：当单断关系采用Cs断 = 0.984 8Cs单时，各项检验指标均合格（表4），综合单断沙关系线满足精度要求。

3.2年平均含沙量、年输沙量、特征值精度分析

为分析历年单断沙关系线与历年整编成果所推算的年平均含沙量、年输沙量的误差，应用南方片整汇编软件，采用综合单断沙关系线对2007～2021年资料进行了还原计算，并与整编成果进行对比，年输沙量、年平均含沙量相对误差计算见表5。结果表明：年平均含沙量、年输沙量推求误差均不大于3%。因此，年平均含沙量、年输沙量可以用所定综合单断沙关系线来推求。单断沙关系为直线情况下推算年最大含沙量、最小含沙量相对误差，见表6。

3.3典型洪水过程含沙量变化对比

为分析历年单断沙关系线在典型洪水过程中的应用情况，挑选2020年长江流域性大洪水过程进行含沙量过程对比。采用综合单断关系线对2020年6～9月资料进行了还原计算，并与整编成果进行了对比，过程线见图4。结果表明，推算成果与整编成果相对偏差介于-2.94%～0.00%。

42022年应用评估

2022年夏季，长江流域遭遇了自1961年有完整气象观测记录以来最严重的气象干旱，汛期发生流域性严重枯水。在此特殊水情下，城陵矶（七里山）水文站以Cs断=0.984 8Cs单关系式为单断沙关系对2022年泥沙成果进行定线和检验，计算结果：年实测最大断面含沙量0.220 kg/m3（11月29日），实测最小断面含沙量0.038 kg/m3（7月22日），年推算最大断面含沙量0.227 kg/m3（12月15日），年推算最小断面含沙量0.024 kg/m3（7月1日），推算结果合理。统计检验中，符号检验为0.58，适线检验为-2.41，偏离数值检验为0.30，随机不确定度为10.8%，系统误差为-0.4%，均满足SL/T 247-2020《水文资料整编规范》要求。因此，2022年城陵矶（七里山）水文站刊印成果采用本关系式推算。

5结论

三峡工程初期运行期后，年特征水位无显著变化，城陵矶（七里山）水文站水位变幅为19.12～34.74 m，水位变幅占1951年以来的83.66%；含沙量显著减少，最大含沙量和平均含沙量变幅分别占三峡工程建成前的28.50%和45.21%。考虑到三峡工程建成后水沙变化特性，本文通过对2007～2021年共15 a的416份实测输沙率成果进行分析，并采用该分析成果对2022年极枯年水情条件下的泥沙成果进行验算，主要得到以下结论。

（1） 城陵矶（七里山）水文站综合单断沙关系线为过原点的直线，关系线系数k=0.984 8。

（2） 经单断沙关系线误差分析，各年单断沙关系线与综合单断沙关系线最大相对偏离为-1.52%，小于±3%，综合单断沙关系线符合规范相关要求。

（3） 采用综合单断沙关系线对2007～2021年资料进行了还原计算，并与整编成果进行对比。结果表明，年平均含沙量、年输沙量推求误差均不大于3%，满足规范要求。

（4） 采用综合单断沙关系线对2022年严重枯水年资料进行计算，结果表明，推算成果与实测结果合理，满足规范要求。

参考文献：

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［10］匡威，刘超，许祥生，等.皇庄站单断沙关系与枯季含沙量优化测次探讨 ［J］.长江工程职业技术学院学报，2009（26）：34-36.

（编辑：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