螺山水文站采用流量权重系数推求断沙的探讨

吴隆学，朱熹华，刘继军，朱小荣

（长江中游水文水资源勘测局，武汉 430012）

1 引 言

目前螺山水文站根据《测验任务书》要求，悬移质输沙率测验和计算采用的方法是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，其余测次均按垂线混合法施测（即相对水深0.2、0.6、0.8各取1 000cm3垂线混合），然后采用部分流量加权法计算断面平均含沙量。

流量测验以声学多普勒流速剖面仪（简称ADCP）为主，备用测验方式为流速仪法。现有悬移质输沙率测验方法是在测流断面起点距135、275、425、585、775、885、1 095、1 275、1 435、1 560m等10条固定垂线按3点法垂线混合法取样，采用流量加权法计算输沙率以推求断面平均含沙量。悬移质输沙率资料整编采用单沙～断沙关系曲线法。

随着2003年三峡水库工程蓄水运行，螺山水文站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，水、沙变化不同步的时段增多，有的时段沙量变化急剧，测次不易控制；有的时段沙峰过程时间较长，变化过程一般持续5～7天。悬移质输沙率与流量同步施测，势必会造成流量测次增加，降低了含沙量单次成果精度。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螺山站流量已经实行了单值化，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。

采用流量权重系数推求断沙，可以大大缩短测验历时、减少外业测验工作量、提高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 推求的原理

《河流悬移质泥沙测验规范》中第7.2.1条规定：采用选点法、垂线混合法与积深法测定垂线平均含沙量，并用流速面积法测流时，断面输沙率和断面平均含沙量应按下列公式计算：

式中，Qs为断面输沙率（t／s或kg／s）；Csm1、Csm2、...Csmn为断面输沙率（kg／m3或g／m3）；q0、q1、...、qn为以取样垂线分界的部 分 流 量 （m3／s）；C-s为断面平均含沙量（kg／m3或g／m3）；Q断面流量（m3／s）。

部分流量权重系数法推求断面平均含沙量的原理：采用实测悬移质输沙率资料，分析各取样垂线间部分流量占断面总流量的权重系数，根据测沙垂线的垂线平均含沙量和部分流量权重系数计算断面平均含沙量（仍符合《河流悬移质泥沙测验规范》部分流量加权原理），因此将（1）式代入（2）式中，公式则变为：

各部分流量权重系数分别以k0、k1、…、kn来表示，则：k0＝q0／Q；k1＝q1／Q；…；kn＝qn／Q；（3）式将变为：

由以上推理可知：采用部分流量权重系数推求断面平均含沙量在原理上是可行的，断面平均含沙量的测验精度主要取决于权重系数的稳定程度。

3 部分流量权重系数分析方法及系数确定

本次探讨样本选用螺山站2006～2011年共156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），通过对实测资料部分流量权重系数的分析，发现单次流量各部分权重系数与不同的来水、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，计算出各测次相同取样垂线间的部分流量权重系数不稳定。

经过绘制权重系数～水位关系图分析发现，各部分权重系数随水位的变化而变化，点距分布成带状且较为密集。因此，最终确定采用测流相应水位与系数建立关系的变系数方案，即用部分权重系数与水位建立单一关系，采用直线或二次曲线进行拟合，由水位推算其权重系数。由于该站资料系列连续，测验方法一致，为开展分析提供了可靠的条件。各垂线权重系数计算公式见表1。

4 误差计算及精度评价

（1）由部分流量权重系数推求断面平均含沙量与实测值误差分析计算。

利用螺山站2006～2011年共计156次实测悬移质输沙率测验资料，用部分流量权重系数推算断面平均含沙量，并与实测的断面平均含沙量进行误差分析计算，结果见表2。

由表2误差统计可以看出，用部分流量权重系数法推求的断面平均含沙量与实测断面平均含沙量进行比较分析，二者误差较小。156次资料对比分析，系统误差为0.2%，随即不确定度为1.2%。每年最大相对误差均小于3%，最大绝对误差为-0.011 kg／m3，各项指标均满足规范要求。

（2）用推求断面平均含沙量进行单～断沙关系线定线及检验。

采用未参加分析的2012年实测资料进行分析论证，用部分流量权重系数推求出的断面平均含沙量代替实测断面平均含沙量进行单～断沙关系线定线及检验，并统计悬移质输沙率整编成果误差，统计结果见表3。

表1 螺山水文站部分流量权重系数公式表

表2 推算断面平均含沙量与实测值误差统计表

表3 悬移质输沙率整编成果误差统计表

由表3统计成果可以看出，用部分流量权重系数推求断面平均含沙量，并用于悬移质输沙率资料整编，与实测值整编成果误差非常小，再次验证本法精度较高。

5 结 语

采用部分流量权重系数法推算断面平均含沙量作为悬移质输沙率测验的方法，其理论原理充分、分析精度较高，可作为螺山水文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，更好地实测含沙量变化过程，提高悬移质输沙率资料的整编精度，并能减少流量测次，减轻劳动强度，提高工作效率。同时，螺山水文站部分流量权重系数关系的建立，为下一步分析悬移质输沙率和流量在线监测提供了一定的技术支撑。

［1］GB50159-92，河流悬移质泥沙测验规程［S］.

［2］杨 劲，毛北平，向自强.采用流量权重系数法推求断面平均含沙量的应用分析［J］.长江工程职业技术学院学报，2011，28（2）：17-19.