悬移质输沙和流量异步测验在枝城站的应用（吴世勇,黄火林,吴立健）

摘要: 悬移质输沙率和流量异步施测，即进行悬移质输沙率测验而不同时测流，在不改变垂线平均含沙量测验方法的前提下，根据测沙垂线的平均含沙量和部分流量权重系数计算断面平均含沙量，符合部分流量加权原理。该法可以大大缩短测验历时、减少外业测验工作量，为水文测验抢测沙峰时，加强测次布置，掌握沙峰变化过程提供了技术条件。枝城站2005、2006年的测验表明，悬移质输沙率和流量异步施测误差小，各水位级内相对误差在±2%以内的测次出现的保证率均超过了90%，断面平均含沙量最大绝对误差为±0.006kg/m3 。

关 键 词: 悬移质;含沙量;异步;测验

中图分类号: TV149 文献标识码: A

1 问题的提出

目前枝城站悬移质输沙率测验和计算主要采用的方法是:①与流量测验同步进行，垂线平均含沙量一年除2～3次按选点法施测外，其余按垂线混合法施测，然后采用部分流量加权法计算断面平均含沙量;②与流量异步进行测验，即在较少的输沙测验垂线上只取水样而不测流，也就是通常所说的全断面混合法，采集的水样含沙量即全断面平均含沙量。该法是一种经验方法，理论依据不充分，测验精度无法保证，平时基本不用，一般只在抢测沙峰时运用。

随着长江三峡水利枢纽工程的兴建、运行，地处葛洲坝水利枢纽下游约67km的枝城水文站测验断面水沙特性发生了较大变化，悬移质输沙率测验出现了如下新问题:①受三峡、葛州坝水库调节影响，枝城站测验断面水位涨落变化频繁、急剧，水、沙变化不同步的时段增多。沙峰过程主要是由上游葛州坝水利枢纽拉沙形成，拉沙期间洪水含沙量变化大，沙峰持续时间较短。悬移质输沙率与流量同步施测，势必会造成测验历时过长、测验工作量增加、拉沙期间断面平均含沙量变化过程不易抓到、降低了单次流量和悬移质输沙率测验精度;②采用ADCP进行横渡法测流，实际上已经造成了流量和悬移质输沙率测验的不同步;③随着测站特性分析工作的不断深入，在某一水位级或某一时段按单一线法进行流量测验成为可能，流量测次相应减少，若为了测悬移质输沙率而增加流量测次势必增加测验成本。

悬移质输沙率和流量异步施测，可以大大缩短测验历时、减少外业测验工作量、提高了单次输沙测验成果的代表性，尤其是在抢测沙峰期间，可以提高单次输沙测验成果精度，同时还为流量和含沙量快速监测等新仪器的使用做好相关技术准备。

2 部分流量权重法推算断面平均含沙量原理

《河流悬移质泥沙测验规范》中断面输沙率和断面平均含沙量的计算公式如下:

式中Qs 为断面输沙率，t/s或kg/s;Csm1 、Csm2 、…Csmn 为各垂线的平均含沙量，kg/m3 或g/m3 ;q0 、q1 …qn 为以取样垂线分界的部分流量，m3/s;—Cs 为断面平均含沙量，kg/m3 或g/m3 ;Q为断面流量，m3/s。

以上式各取样垂线的垂线平均含沙量为实测，取样垂线间部分平均含沙量很容易计算得到。由于未测流量，不能直接得到以取样垂线分界的部分流量和部分流量权重系数。采用部分流量权重系数法计算断面平均含沙量的关键就是准确推算出以取样垂线分界的各部分流量权重系数。

3 权重系数法推求断面平均含沙量的方法

3.1 以取样垂线分界的各部分流量权重系数计算

若测验断面稳定、河床无冲淤变化，垂线平均流速横向分布曲线在各水位级基本一致，悬沙测验垂线位置保持固定，则以取样垂线分界的各部分流量占单次总流量的权重系数在各水位级、各测次应当是基本一致的，然而这样的情形在天然河道极其少见。

枝城站测验断面左岸为沙质河床，近岸边有一宽约300m、床面高程缓慢变化的平滩，随水位涨落河床有一定冲淤变化。右岸约300m宽为礁板河床，基本无冲淤变化。测验断面宽在890～1320m之间，主泓居右，随水位上涨略向左移。水位—流量关系主要受洪水涨落影响，中低水位时期水位—流量关系以多条单一曲线为主，高水呈带幅较窄的绳套曲线，悬移质输沙采用10～12条固定垂线进行测验。选用枝城站2005、2006年共152次悬移质输沙率及流量测验资料，分别计算各测次相邻取样垂线间的部分流量占该测次总流量的权重系数（以下简称部分流量权重系数，详细的计算表略）。

通过对计算结果进行分析，发现存在如下问题:①各测次相同取样垂线间的部分流量权重系数随水位变化有较大变化，但在某一水位级内变幅较小;②由于断面左岸边滩的存在，低水期左岸近岸边2条测沙垂线起点距100m和300m处随水位下降导致水深过浅或无水流通过成为岸滩，未进行测速和取样，所以全水位变幅范围内，水位由低到高，固定测沙垂线数目分别为10、11、12条。

针对上述问题，在优先考虑部分流量权重系数变化较小的前提下，结合考虑测沙垂线数目的一致性，将水位分为3级:水位Z>46m、40m≤Z≤46m、Z<40m。以各水位级内各测次相邻取样垂线的部分流量权重系数的平均值作为部分流量权重系数，计算结果见表1。

根据断面输沙率和平均含沙量的计算公式所知，利用部分流量权重系数法推算断面平均含沙量的误差大小主要与部分流量权重系数的精度有关。由于部分流量权重系数取的是平均值，不可避免地存在各单次流量测次的部分流量权重系数与平均部分流量权重系数存在误差，同时单次流量权重系数与流量测验时的起点距定位、水深和垂线平均流速的测量精度有关。但部分流量权重系数是分水位级确定的，尽量考虑了该值在所分水位级内变化较小，大大减少了单次值与平均值之间的误差。从表2的统计数据可以看出，各水位级流量权重系数的单次值与平均值之间的偏离不大，最大绝对偏离值仅为0.035，且水位越高，偏离值越小。各水位级最大绝对偏离值都集中在起点距500～700m之间。除前面所述测验误差外，该处常有采沙船采沙，引起河床变化较大、流速紊乱，测验误差整体增大，但起点距500～700m之间的部分流量占总流量权重不大，对断面平均含沙量的推算误差较小。

3.2 平均含沙量测验精度评估

根据表1各水位级流量权重系数成果，利用枝城站2005、2006年全年的实测悬移质输沙率测验资料，重新推算断面平均含沙量（详细推算过程省略），并与实测的断面平均含沙量进行误差对比分析，结果表3。

从表3的误差统计数据可以看出，断面平均含沙量推算值与实测值误差较小，且水位越高，误差越小，系统误差为-0.08、标准差为2.22%、随机不确定度为4.44%。各水位级内相对误差在±2%以内的测次均超过了90%，且有大量测次相对误差为0，最大绝对误差为±0.006kg/m3 。可见，采用部分流量权重系数法所推算断面平均含沙量的测验精度较高。

4 结论

用部分流量权重系数法推算断面平均含沙量，其理论原理充分，在枝城站运用测验精度较高，作为枝城站悬移质输沙率测验方法的一种补充，在水沙变化不同步、断面含沙量变化急剧时可以有效地增加悬移质输沙率测次，更好地抓测含沙量变化过程，提高悬移质输沙率测验精度。同时为ADCP投产后的悬移质输沙率测验找到了一种新的方法，可以在长江干流其它测站进行推广。需要注意的是，由于枝城河段的水沙特性依旧处于不断地变化和调整阶段，在日常工作中要经常用实测悬移质输沙率测验资料对该法的测验精度进行验证，根据实际情况，重新分析、确定各悬沙取样垂线间部分流量权重系数。

作者简介: 吴世勇，男，长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，工程师。