三水站采用全断面混合法 施测悬移质输沙率的方案探讨

书书书三水站采用全断面混合法施测悬移质输沙率的方案探讨陈慧莎（广东省水文局佛山水文分局，广东佛山５２８０００）摘要：三水站采用传统方法施测悬移质输沙率。传统输沙率测验方法需处理的沙样多、后续工作时间长，同时，其整编还需与流量配套，整编过程繁琐。近年来，三水站引进走航式ＡＤＣＰ、Ｍ９等测量设备，测流方式得到较大改进。而输沙测验仍采用传统方式，对流量测验及整编工作也造成制约。采用全断面混合法对三水站历年泥沙资料进行分析，从特征值比较、数值分布情况、相对误差、垂线布设等方面探讨三水站采用全断面混合法测沙的可行性。关键词：测验分析；悬移质输沙率；全断面混合法；三水站中图分类号：ＴＶ１４９．１　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１９２３５（２０１４）０３００８９０４收稿日期：２０１４０１１４作者简介：陈慧莎，女，广东韶关人，主要从事水文资料整编、水文分析计算工作。０　前言三水站位于西北江三角洲河网区入口处，是西北江三角洲上游重要控制站。上游１５ｋｍ有思贤蟯连通西、北江，下游网河区内水道纵横交错，分经八大口门入海。三水站水流不仅受西、北江两江径流作用，还受到河网区内各水道互相连通及珠江口潮汐等多重要素影响，水流特性复杂。三水站观测项目包括水位、雨量、潮流量、泥沙等，多年平均水位为１７４ｍ，多年平均流量为１４３０ｍ３／ｓ，年径流量４５１亿ｍ３，年输沙量９１７万ｔ。三水站采用传统方法即横式５／１０垂线混合法施测悬移质输沙率。每次测沙需完成各垂线的混合样的烘干、称重处理，计算出垂线平均含沙量，再通过同步流量测量成果的垂线间部分流量计算出断面平均输沙率。传统方法能够控制悬移质输沙率的变化情况，但也存在一定程度的不足。首先，测沙需处理的沙样多、后续工作时间长，遇到洪水期，常常出现水样堆积，泥沙处理应接不暇的情况；其次，输沙率计算须与流量相配合，使用走航式ＡＤＣＰ的测流成果需要分解成垂线间部分流量才能用于输沙率计算，整编过程繁琐。全断面混合法测量输沙率是将测沙断面上各测点的水样混合，混合样的含沙量即为断面平均含沙量，再通过断面流量求得断面输沙率。全断面混合法能够减少水样的处理，减化泥沙、流量整编过程。为进一步优化测验方案，提高工作效率，现采用全断面混合法的整编方式对三水站多年的泥沙资料进行整理分析，探讨其采用全断面混合法施测悬移质输沙率的可行性。１　全断面混合法施测方案概述１１　测验方式三水站悬移质输沙率测验采用横式５／１０垂线混合法施测，测沙垂线等距离分布。流速仪测流断面位于基下３８０ｍ，每年输沙率测次依来水情况而定，主要分布在洪水期。测沙垂线水面宽布设，分别为起点距６００、６８０、７６０、８４０、９１０ｍ处（图１），高水位时加测起点距５２０ｍ。各垂线于水深０２、０８ｍ处，用横式２０Ｌ采样器采样。图１　三水（二）站测沙垂线分布１２　水样处理及整编方式全断面混合法将断面所采的全部水样混合，用烘干法处理混合样。混合样经处理、校核后，其实测含沙量即为断面平均含沙量：Ｃｓ＝Ｃｓ＝ＷｓＶ式中　Ｃｓ———断面平均含沙量，ｋｇ／ｍ３；Ｃｓ———实测含沙量，ｋｇ／ｍ３；Ｗｓ———水样中的干沙重，ｋｇ；Ｖ———水样容积，ｍ３。断面输沙率：Ｑｓ＝Ｑ×Ｃｓ式中　Ｑｓ———断面输沙率，ｋｇ／ｓ；Ｑ———断面流量，ｍ３／ｓ；９８ｄｏｉ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１９２３５２０１４０３０２８　　　　　　　　　　　　　　　２０１４年第３期·ＰＥＡＲＬＲＩＶＥＲ　人民珠江１３　单样含沙量测验方式三水站的单沙测量采用固定三线混合法，在流速仪测流断面（基下３８０ｍ）主流三线———起点距６８０、７６０、８４０ｍ处，于水深０２、０８ｍ采样，全部水样混合后，用烘干法处理。混合样的含沙量即单样含沙量。１４　新旧测验方式的比较从测验方式而言，两种方法的测次分布、垂线布设及采样方法是一致，测验方式没有区别，但就水样处理及整编方法而言，全断面混合法具有更大的优势（表１）。ａ）需要处理的水样少，大大减少了泥沙处理的工作量。三水站近１５年悬移质输沙率的年均测次为３８次，单沙测次约为９０次。传统方法每次测输沙至少处理５条垂线的水样，每次测单沙需处理３条垂线的水样，则每年至少处理输沙水样１９０个，单沙水样约为１８０个。如果改用全断面混合法，每年处理３８个输沙水样、９０个单沙水样即可，工作量可减轻。ｂ）整编过程简便。全断面混合法混合样实测含沙量即断面平均含沙量，乘以断面平均流量可算出断面输沙率。不需要计算垂线间含沙量，也不需要分解ＡＤＣＰ测流的垂线间流量，整编过程简便快捷。ｃ）无需分解ＡＤＣＰ测流的垂线间流量，解放流量整编方式。目前，三水站采用走航式ＡＤＣＰ、Ｍ９进行流量测验，为计算输沙率，流量测验成果往往需要分解成垂线间流量，这不仅增加了流量整编的工作量，同时也对测流仪器的后处理程序提出了更复杂的要求，一定程度上制约了流量测验及整编方式的发展。采用全断面混合法则可以避免这些问题。ｄ）符合三水站水流特性。三水站位于西北江三角洲入口，距离连通西北江的思贤蟯仅１５ｋｍ，断面水沙分布受西北江径流影响大，各垂线含沙量变化大，分布规律不明显，传统方法计算各垂线含沙量意义不大，全断面混合法能反应断面含沙量的总体情况，又简化计算过程。表１　两种测验方式比较２　资料整理分析２１　断面情况稳定性三水站多年平均流量为１４３０ｍ３／ｓ，多年平均径流量为４５１亿ｍ３。近１０年，出现较大流量的为２００５、２００８年，其中２００５年实测年最大流量１６３００ｍ３为历史最大值，２００８年实测最大流量为１４６００ｍ３。对比２００５、２００８、２０１２年的三水站的测流断面，在水位３００ｍ的条件下，计算断面的各特征值（图２、表２）。其中，水面宽变化率不超过１％，过水面积变化率不超过４％，河道中泓也基本没有变化，可见，三水站断面形状稳定，河床变化不大。表２　测流断面特征值对比（水位３０ｍ）年份过水面积／ｍ３水面宽／ｍ最深处／ｍ２００５４８２０５０５－１１２９（起点距７５９）２００８５０００５０１－１２１０（起点距７５９）２０１２５０６０４９９－１２０６（起点距７８７）图２　三水站历年大断面２２　泥沙资料分析用全断面混合法的整编方式对三水站的历史实测输沙率资料进行重新计算。对全断面混合法计算的断面平均含沙量、断面输沙率成果与传统方法计算的原成果，从特征值、数值分布情况、相对误差等方面进行比较。选用实测资料时间段为１９９８—２０１２年（共１５年），总测点数为５６９个，实测资料情况见表３。表３　实测资料情况选用测点数／个５６９时间段／年１９９８—２０１２断面平均含沙量变化数值／（ｋｇ·ｍ－３）００１～１８２断面输沙率变化数值／（ｋｇ·ｓ－１）１７１～１７０００２２１　比较特征值全断面混合法计算的极值和平均值与原成果较为接近，见表４。表４　新旧方法特征值比较项目特征值／方法原成果全断面混合法计算值备注断面输沙率／（ｋｇ·ｓ－１）平均值１１５２１１６７样品数：５６９最大值１７０００１６７００２００６－０７－１７对应流量：９３２０ｍ３最小值１７１１７６２００６－０９－２９对应流量：１６６０ｍ３断面平均含沙量／（ｋｇ·ｍ－３）平均值０１７０１８样品数：５６９最大值１８２１８０２００６－０７－１７最小值００１００１２００６－０９－２９０９２２２　数值分布情况比较对成果的数值分布情况进行分析（图３），新旧方法计算的断面平均含沙量分布情况相似。分布在００１～０５ｋｇ／ｍ３区间范围内的样品占了样品总数的９５％以上。而在０１～０２ｋｇ／ｍ３范围内，断面混合法计算的含沙量略微偏大，此区间的样品数量值小于原方法。输沙率数值分布与含沙量相似。大量样品集中分布在１０～３０００ｋｇ／ｓ区间范围内，约占了样品总数的９０％。新旧方法计算的输沙率数值分布规律吻合。ａ）含沙量数分布情况ｂ）输沙率数值分布图３　新旧成果数值分布比较２２３　误差分析ａ）新旧方法线性关系。对全断面混合法计算成果及原成果进行函数拟合，两种方法的计算所得的含沙量和输沙率均满足线性关系，斜率均接近１，且拟合程度较好（图４）。ａ）新旧断面平均含沙量关系曲线ｂ）新旧断面输沙率关系曲线图４　新旧成果关系曲线　　ｂ）相对误差分析。对全断面混合法计算的含沙量和输沙率成果进行相对误差分析，见表５，新旧方法计算的断面输沙率成果相对误差在±１０％以内的超过了９０％，断面平均含沙量的相对误差在±１０％以内的也接近９０％。表５　相对误差统计％相对误差σ范围｜σ｜≤５％｜σ｜≤７％｜σ｜≤１０％断面平均含沙量６４９７４７８９１断面输沙率６７１７７９９１０３　测沙垂线布设分析由于资料分析部分采用历史成果进行，因此测沙垂线的布设与传统方法相同，现进一步分析三水站测流断面的流量分布情况，以探讨全断面混合法的测沙垂线的理想布设情况。选取三水站丰平枯水代表年：２００８、２００９、２０１１年的实测流量资料，分析起点距与累积流量关系，绘制部分流量累计百分率与起点距关系曲线（图５）。由图５可知，丰平枯水年的流量分布曲线规律一致，数值也较为接近，可见，三水站断面流量分布较为稳定。根据曲线查找测沙垂线处流量累积百分率见表６。表６　等流量百分率与测沙垂线对应百分率流量百分率１０％３０％５０％７０％９０％查图对应起点距６１０６８０７４０８００８８０测沙垂线６００６８０７６０８４０９１０对应流量百分率８％３０％５６％８２％９８％　　起点距６００、６８０、７６０ｍ代表的流量累积百分率接近１０％、３０％、５０％，即等部分流量分布。起点距８４０、９１０ｍ对应的流量累计百分率偏大。因此，在实际率定时，可考虑将垂线８４０、９１０ｍ的位置调整为８００、８８０ｍ，进一步提高测验精度。（下转第９２页）１９青海省中小河流遥测雨量站应用与维护探讨李祥坤（青海省水文水资源勘测局，青海西宁８１０００１）摘要：结合青海省中小河流遥测雨量站应用情况，简要介绍遥测雨量站自动测报系统的工作原理，对自动雨量站使用过程中遇到的故障与日常维护进行总结，列出常见故障、分析原因及解决方法。关键词：遥测雨量站；应用；故障；维护中图分类号：Ｐ３３２　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１９２３５（２０１４）０３００９２０３　　青海省中小河流遥测雨量站自２０１２年７月应用至今，设备运行日趋稳定，但遥测系统在运行中因点多、面广等诸多原因而维护困难。为了提高相关维护人员的维修应用水平，结合实际维护维修应用的经验，从不同角度剖析雨量站维护维修方法。对于进一步提升青海省内监测站点的降水测报、分析评价及水文水资源信息服务能力，逐步提高中小河流的暴雨洪水灾害防御能力，适应新时期区域经济发展对水文工作的要求，保障人民生命财产安全和国民经济的可持续发展提供高效的信息服务，具有重要的意义。１　工作原理遥测雨量站自动测报系统的工作原理为：当翻斗雨量达０２ｍｍ时，翻斗翻转，触发磁敏开关（干簧管），雨量传感器图１　遥测雨量站自动测报系统运行结构示意收稿日期：２０１４０１１０作者简介：李祥坤，男，河南唐河人，主要从事水文仪器管理工作檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶。（上接第９１页）图５　部分流量累计百分率与起点距关系曲线４　结语通过分析，可以得到以下结论：ａ）全断面混合法减少了水样处理数量，有利于提高工作效率。ｂ）采用全断面混合法不需要通过垂线间流量推算输沙率，能简化泥沙资料整编过程，同时也有利于促进流量测验和整编方式的发展。ｃ）三水站断面各垂线含沙量变化大，分布规律不明显，全断面混合法恰好能反应断面含沙量的总体情况。ｄ）从特征值、数值分布、相对误差等方面对全断面混合法计算的输沙率和含沙量进行分析，全断面混合法计算成果与原方法计算成果较为接近。可尝试对全断面混合法进行率定，采用全断面混合法替代传统测验方法。ｅ）根据三水站丰平枯水代表年的实测流量资料绘制的部分流量累计百分率与起点距关系曲线，起点距８４０、９１０ｍ对应的流量累计百分