竹林关水文站输沙率间测分析

2014-07-25张奕华

陕西水利 2014年5期

张奕华

（陕西省商洛水文局陕西商洛 726000）

竹林关水文站是设在丹江水系一级支流银花河上的控制站，控制流域面积951km2，该站设立于1970年，测验项目有水位、流量、泥沙、降水、蒸发等项目，主要是为银花河水资源开发利用提供科学依据。

目前，有些项目监测已开展了好多年，资料也具有一定的代表性，需要精简分析，达到减少人力和工作强度，节省费用开支，利用剩余时间和财力开展新测验项目，如开展墒情、水质等监测，与现代社会发展需求相适应。本次主要是对竹林关水文站断面输沙率测验进行系统分析，找出历年断面平均含沙量（断沙）与相应单位含沙量（相单）的相关关系，看历年单、断沙关系是否综合成固定45°线，或一固定线形，是否符合《悬移质泥沙测验规范》间测要求，以实现输沙率间测。

1 竹林关输沙率测验现状

竹林关水文站1970年建站，到目前已积累输沙资料44站年，自建站以来一直开展输沙率测验工作，目的是积累该站流域以上通过该站断面的年输沙量。

《悬移质泥沙测验规范》规定，每年的输沙率测次，一类站不少于25次，二、三类站不少于15次，竹林关水文站属于二类站，每年测次不应少于15次，一般测次主要布设在流量、含沙量转折变化处。

竹林关水文站输沙率测验方法是在水文测验断面，利用水文缆道左右循环，上下联动，根据沙情特性布设5条至8条垂线，测验仪器采用瓶式采样器，取样方法用积深法，实测悬移质输沙率；相应单沙在起点距100m处，采用固定一线积深法，含沙量变化不大时，分别在施测输沙率开始和终了同时测取相应单位含沙量，平均后作为单位含沙量，含沙量变化较大时，在输沙率测验当中适当增加单沙测次，用平均值作为该次输沙率的相应单位含沙量。

测一条垂线大约5分钟，那么一次输沙率测验就需30分钟到40分钟，如果遇到大水洪水停电，采取人工手摇测取就需40分钟到60分钟。

沙样处理：通常采用焙干法。从取样到烘干，中间需要浓缩3天到5天，还要逐个进行称重，称重使用老天平，一个沙样在称重中要不断更换砝码，到准确称出重量大约需要1分钟到2分钟，一次输沙率处理，称重加上中间环节最少需要30分钟。

输沙率测验必须与流量测验同步进行，因为在计算输沙率的时候需要有相应的流量值，测取断面流量也需20分钟到30分钟。一次输沙率测验，从开始到终了大约需要2小时左右。

2 存在问题

按照测验任务要求，竹林关水文站每年的输沙率测次不能少于15次，而测一次输沙率需要同时测取断面流量，测取输沙率加上测流、称重、计算大概需要2小时左右，说明测取输沙率是一次繁重的体力、脑力劳动，费时费力，这种传统的水文测验方法与近年来水文事业的快速发展和新的水文工作模式已极不适应。因而通过分析，按照《河道悬移质泥沙测验规范》要求，对达到间测条件的尽快实现间测是一种省时省力的有效途径，也可以把时间和精力投入到新的监测领域，拓宽水文发展领域，与时俱进更多地开展水文水资源服务，更好地服务经济建设。

3 解决方法

该站已积累泥沙资料44站年，根据历年实测悬移质单位含沙量与实测悬移质断面含沙量关系进行综合分析，找出实测悬移质单位含沙量与实测悬移质断面含沙量的综合相关关系（简称单断沙关系）。在满足《河流悬移质泥沙测验规范》规定的前提下，开展输沙率间测。以减少劳动强度，提高测验工作效率。

4 输沙率间测分析

4.1 资料选取

根据资料的一致性、代表性和可靠性分析，本次选用1971年、1972年、1978年～2012年间竹林关站249次的实测输沙率资料。

4.2 竹林关水文站历年单断沙测验情况

竹林关水文站多年平均输沙率5.86kg/s，施测输沙率最多的年份为1980年（28次）。历年整编采用单断沙关系（个别年份测次较少按近似法）推求断面平均含沙量，历年关系为45°直线。建站以来，最大洪水出现时间为1987年6月5日，洪峰流量2800m3/s，为历史实测最大流量，相应水位8.2m，为历史最高水位。实测输沙率的最大相应单位含沙量为109kg/m3（1980年），最大单位含沙量为111kg/m3（1979年），多年河道冲淤变化不大，泥沙横向分布基本稳定。见图1。

4.3 分析方法及依据

根据《河流悬移质泥沙测验规范》第7.7.1条规定，二、三类站当有5年～10年以上的资料证明，实测输沙率的沙量变幅占历年变幅的70%以上，水位变幅占历年水位变幅的80%以上时，可按照规定进行输沙率间测分析。

4.4 沙幅及水幅计算

图1 竹林关大断面比较图

图2 竹林关站历年单断沙综合关系线

本次分析选取的竹林关水文站249次实测输沙率资料中，实测输沙率的最大相应单位含沙量为109kg/m3（1980年），最小相应单位含沙量为0.088kg/m3（1972年），历年最大单位含沙量为111kg/m3（1979年），最小单位含沙量为0kg/m3，分析资料系列中实测输沙率的沙量变幅占历年输沙率变幅的98.1%。满足《河流悬移质泥沙测验规范》第7.7.1条规定的实测输沙率的沙量变幅占历年变幅的70%以上的要求。

在选取的竹林关水文站249次实测输沙率资料中，实测悬移质输沙率最高水位6.2m（1983年），最低水位 2.8m（1985年），实测变幅3.4m。历史最高水位8.2m（1987年），最低水位 2.73m（2008年），水位变幅5.65m，实测输沙率的水位变幅占历年水位变幅的62.0%。低于《河流悬移质泥沙测验规范》第7.7.1条规定的实测输沙率的水位变幅占历年水位变幅的80%以上的要求。其原因是1987年6月5日发生接近100年一遇洪水最高水位（8.2m）时，测验设施被水冲毁，对于整个系列资料影响不大，近年对该站基础设施进行了改造，测洪能力已提高到百年一遇，需要说明的是当水位大于6.2m时，应当及时恢复输沙率测验，对该分析成果高水部分进行校验。

4.5 分析历年单断沙综合关系线

根据规范规定的水沙幅要求，将历年悬移质输沙率和相应单样含沙量实测成果，按沙量级分成若干组，用各组平均值绘制历年综合单断沙关系线，从关系线图中可以看出，悬移质输沙率单断沙综合关系（为45°线），见图2。

4.6 综合单断沙关系线的检验

定线精度依据中华人民共和国行业标准（SL247—1999）《水文资料整编规范》对关系线进行了符号检验、适线检验、偏离检验，均为合格。其中关系线系统误差为-1.0%，小于规范规定的±3%；随机不确定度7.8%，小于规范规定的28%。均符合规范要求。

4.7 各年单断沙关系线的比较

选取近几年实测的悬移质输沙率测点，按年套绘在历年综合单断沙关系上，分别计算各年单断沙关系斜率，斜率在0.9632～1.1183之间，变化不大，从图2也可以看出，历年悬移质输沙率单断沙关系较好（为45°线）。

5 结论

《河流悬移质泥沙测验规范》第7.7.1条规定，二、三类站当有5年～10年以上的资料证明，实测输沙率的沙量变幅占历年变幅的70%以上，水位变幅占历年水位变幅的80%以上时，各年关系线偏离综合线的最大值在±5%以内时，可按照规定进行输沙率间测。

通过对竹林关水文站多年实测悬移质输沙率成果中单断沙关系线的相关分析计算，该站满足：①有5年～10年资料，竹林关施测44年资料；②沙量变幅占历年变幅的70%以上，该站沙量变幅98.1%；③对于水位变幅占历年水位变幅的80%以上，该站变幅62%，因受特大洪水毁坏设施的影响，现在设施改善，在水幅大于62%时及时校测；④当各年关系线偏离综合线的最大值在±5%以内时，该站各年关系线与历年综合单断沙关系曲线偏离最大值为4.46%，满足要求。

间测期间只测单样含沙量，因历年综合关系线为45°线，所以直接采用单位含沙量代替断面含沙量进行年输沙量计算。

传统水文向现代水文的转换，不是一朝一夕就能完成的事情，是需要有水文新仪器、新技术做依托，水文测验工作要逐步走向现代化。水文新仪器、新技术在应用过程中又必须用传统的水文测验方法来比测验证其实用性和准确性，竹林关水文站的输沙率间测分析，为该站的传统水文向现代水文的转换提供了技术条件。