新疆玛纳斯河悬移质泥沙测验解析

2015-01-16谢富东新疆水利厅玛纳斯河流域管理处新疆石河子832000

水利规划与设计 2015年3期

谢富东（新疆水利厅玛纳斯河流域管理处，新疆石河子 832000）

新疆玛纳斯河悬移质泥沙测验解析

谢富东
（新疆水利厅玛纳斯河流域管理处，新疆石河子 832000）

新疆玛纳斯河属多沙河流，河水下泄带来大量的推移质和悬移质泥沙。推移质的测验自1959年红山嘴引水枢纽建成两年后便开始进行测验，但悬移质测验一直没有开展，随着下游用水单位对水质的要求逐渐提高，直至2004年才开始进行了悬移质的测验，在石河子水文水资源勘测局的帮助和指导下，在测验方法的选择、断面位置的选择、资料分析整编以及误差分析等各个方面进行了测验，取得了较为有价值的资料。

河道；悬移质；测验；解析

1 玛纳斯河水文气象

1.1 气温

玛纳斯河平原地区多年平均气温 6.0℃—6.8℃，山区多年平均气温3.9℃—6.2℃，最低月平均气温在1月，平原为-14.9℃—-20.6℃，山区为-17.9℃—-22.4℃，冬季月平均气温由平原至山区逐渐增温，递增率为每上升海拔100m，增高温度0.4℃，夏季月平均气温以平原向山区逐渐降低，递减率为每上升海拔100m，降低温度0.7℃。

1.2 降水

本区降水特点是降水量少，分布不均匀，变率大，年降水量由北向南随高度递增，递增率为每上升海拔100m，增加34m m降水量，靠近沙漠边缘降水量少，仅有117m m，山前石河子市附近年降水200m m左右，前山带至中山带300—430m m，中山带以上年降水量可达700m m以上。本区降水东部多于西部，雨量随高度的增加而相应增加，平原区各季降水量变化较均匀，山区变化较大，冬季降水量平原区大于山区，夏季山区降水量大于平原区。

1.3 水质

玛纳斯河流水质量属于重碳酸类水，水质良好，河流沿程无大的污染源，常量元素 C a+、Mg+、So4-、Ce-矿化度含量不大，未超过生活饮用水标准，肯斯瓦特与红山嘴两水文站总硬度分别为6.63和7.48德国度，清水河子5.95德国度。以水质标准衡量属于饮用水，可用于工业、农业及生活用水等各种用途。

2 玛河工程概况

2.1 玛河渠首——引水枢纽工程

玛河渠首是新疆较早运用费尔干式渠首的水工建筑物，地处玛纳斯河红山谷出山口处，由连接总干渠的4孔进水闸，连接河道的7孔泄洪冲沙闸、溢流堰及上游河道整治段、防洪堤、丁字坝等水工建筑物组成，上游控制性水库肯斯瓦特水库目前在建中。

2.2 东岸大渠——主要输水工程

东岸大渠通过玛河第一总分水闸与渠道总干渠相连，流经玛纳斯县兰州湾乡，全长18km，原为干砌卵石护坡护底，现已经逐年改为混凝土板防渗，直接在原干砌石上护面，流速加大，是玛纳斯河最主要的输水工程。

在五级电站尾水渠上，设节制分水闸，通过涵洞向西岸供水。涵洞设有进水闸2孔，断面为倒卵形双孔干砌卵石结构。每孔净跨 3.25m，拱厚0.5m，全长680m，设计流量23m3/s，为西岸上游石河子灌区输水。

在东岸大渠8+900m处，由红山嘴电厂电站渠经二、三、四级电站发电的弃水汇入东岸大渠，流向十五公里处，设计流量65m3/s。在15+100m处，设有退水闸3孔，节制闸2孔，均为钢筋混凝土结构，平板钢闸门，设计退水流量50m3/s，由玛纳斯河老河床排出，注入夹河子水库。

3 泥沙测验断面的选择

经玛纳斯河流域管理处和石河子水文水资源勘测局有关部门对渠首至东岸三站整个渠道的实地考察，从两个方面考虑确定了泥沙测验的断面:

（1）以能够控制各渠道的年内泥沙变化为原则，有利于控制渠道含沙量及掌握渠道中含沙量的变化过程。

（2）从节约资金和工作量的角度考虑，不再另外增加泥沙测验断面，断面设置主要是利用现有测流断面，作为泥沙测验断面。

根据上述条件，确定五个泥沙测验断面为:

（a）一站的总干渠、电站渠。

（b）二站的八公里东岸大渠、五级尾水。

（c）三站的十五公里东岸大渠上断面。

4 泥沙测验方法的选择

4.1 测站类别的确定

根据《河流悬移质泥沙测验规范》（GB 5015P-92）规定:“二类站为一般控制站和重点区域代表站”的规定，结合东岸引水渠道的自身情况，定为二类基本泥沙站。

4.2 测验方法的选择

根据东岸引水渠道现有的情况，测流断面处架设有测桥，测流水深也较小，水面宽不大。故泥沙测验方法采用:横式采样器取样，输沙率测沙垂线定为七条，垂线取样为一线0.6选点法。

4.3 测验情况介绍

2006年各泥沙测验站从1月开始全年实施监测，具体情况见表1。

表1 2006年各泥沙测验站监测数据

4.3.1悬移质输沙率测次的布置

输沙率测验次数各月分布情况具体为:5、9月各断面每五天测一次，6—8月各断面每三天测一次，其余适当安排测次。

4.3.2单位水样含沙量测次的布置

单位水样含沙量的测次不是全年平均分配，应主要集中在洪水期时段，而平水期、枯水期时段则适当布置一定数量的测次，以能控制含沙量的变化过程，并且能准确推算全年的逐日平均输沙率为原则进行。

4.3.3取样位置的选择

单位水样取样位置的确定，一般应通过输沙率资料数据的分析选定。由于在此之前的输沙率资料很少，因此，根据《水文测验手则》（第1册1975）的规定，“断面比较稳定，含沙量横向分布比较规律的站，在主流附近选取一条垂线取样”。确定各站的取样位置为:

（1）总干渠:测流断面起点距7.00m处；

（2）电站渠:测流断面起点距7.50m处；

（3）八公里东岸大渠:测流断面起点距6.50m；

（4）五级尾水:测流断面起点距12.20m；

（5）十五公里东上:测流断面起点距6.80m处。

5 泥沙资料整编

5.1 工作内容

（1）编制实测悬移质输沙率成果表；

（2）绘制单样含沙量与断面平均含沙量关系曲线图；

（3）关系曲线检验与分析内容；

（4）数据处理过程和结果；

（5）整编逐日平均悬移质输沙率、逐日平均含沙量表，并做出电子档。

5.2 资料整编情况介绍及成果评价

通过对五个断面的资料整编，确定渠首电站渠、八公里东岸大渠、五级尾水单断沙关系为单一线，总干渠、十五公里东上单断沙关系为近似法。

5.2.1编制实测悬移质输沙率成果表

首先对悬移质水样处理表进行含沙量计算、校核，对悬移质输沙率记载表计算断面平均含沙量，编制实测悬移质输沙率成果表。

5.2.2绘制单样含沙量与断面平均含沙量关系曲线

分别绘制各断面单断沙关系曲线。

5.2.3关系曲线的分析与检验

通过绘制单样含沙量与断面平均含沙量关系曲线，可以看出渠首电站渠、八公里东岸大渠、五级尾水关系点较密集且分布成一带状，关系点无明显系统偏离，即可定为单一线推求断沙；而总干渠、十五公里东上两断面单断沙关系散乱，没有明显的系统规律，单断沙关系不好，不能用单一线法等方法推求断沙，故采用近似法（即单沙近似当做断沙）。

为验证单样含沙量与断面平均含沙量关系曲线的正确与否，目前我国水文资料整编均参照国际标准I SO 01100/2的要求，根据《水文资料整编规范》（SL 247-1999）进行各项指标的检验，具体检验内容如下:

（1）符号检验:检验所定单断沙关系曲线两侧测点数目分布是否均衡合理，以此判断关系曲线是否正确。

（2）适线检验:按单位含沙量递增次序，检验实测点偏离曲线正负号的排列情况，以此检查关系曲线有无明显系统偏离。

（3）偏离数值检验:检验测点偏离关系曲线的平均偏离值（即平均相对误差）是否在合理范围内，以此用数据论证关系曲线是否合理。

（4）随机不确定度:检验随机误差是否按正态分布，采用置信水平为95%，随机不确定度在数值应为2倍标准差。

（5）系统误差:检验仪器、水样处理、取样时间、垂线取样方法及取样垂线数目等测验误差分量。

单断沙检验结果及评价

渠首电站渠、八公里东岸大渠、五级尾水三断面单断沙关系检验结果，全部合格，满足定线要求；总干渠、十五公里东上两断面单断沙关系检验结果不满足定线要求。

5.2.4数据处理

在处理数据之前，编制单位水样含沙量成果表。当缺测期间水沙变化平缓，或变化较大但未跨越峰、谷值时，用未测时段两端的实测单沙，按时间比例直线插补缺测时段的单沙。采用计算机整编资料。

5.2.5整编悬移质输沙率、含沙量表

渠首电站渠、八公里东大、五级尾水为单一线，分别有单断沙关系系数K（关系曲线斜率）=断沙/单沙。如下:

电站渠: K=1.05八公里东大: K=1.03五级尾水: K=1.00

整编逐日平均含沙量表，用K值分别与逐日单位水样含沙量相乘，算出逐日平均含沙量，逐日平均含沙量与逐日平均流量相乘，算出逐日平均输沙率，根据以上成果，算出各断面的泥沙统计量。

6 取样位置分析

6.1 取样位置分析的目的

取样位置分析的目的是为了满足泥沙测验方法与分析计算等方面的技术要求，保证泥沙测验精度，提供可靠的基础资料，建立单断沙关系，定线精度指标达到规范的要求，以满足断面含沙量的推求。

6.2 方案确定

根据《河流悬移质泥沙测验规范》（GB 5015P-92）第7.6.1条规定，采用单断沙关系曲线的站，取得30次以上的各种水沙条件下的输沙率资料后，应进行单样取样位置分析。在每年的资料整编过程中，应对单样含沙量的测验和取样位置进行检查、分析。

6.3 方法选定及结论

6.3.1总干渠

2006年截止年底，共施测输沙率40份，其中，有13份资料测次分布不合理，各垂线取样误差很大，不能反映泥沙的真实情况。因此，只有27份输沙率测次可用，相应点出单断沙比值横向分布图。横坐标分别为取样位置起点距5m、7m、8.5m、10m、11.5m、13m、15m，纵坐标分别是用断面平均含沙量与相应各点单样含沙量的比值。

根据国家标准《河流悬移质泥沙测验规范》（GB 50159-92）第7.6.2条规定:断面比较稳定，主流摆动不大的站，应选择几条能代表各级水位、各级含沙量的输沙率资料，绘制垂线平均含沙量与断面平均含沙量的比值横向分布图，在图上选择垂线平均含沙量与断面平均含沙量的比值最为集中，且等于1处，确定一条或两条垂线，作为单样取样位置，由此建立单断沙关系曲线，进行统计分析，一类站相对误差不应大于7%，二、三类站不应大于10%。即可得出结论:10m处作为单样取样位置比较合适。

6.3.2十五公里东上

2006年截止年底，共施测输沙率47份，其中，有11份测次分布不合理，各垂线取样误差很大，不能反映泥沙的真实情况。因此，只有36份输沙率测次可用，相应点出单断沙比值横向分布图。横坐标分别为取样位置起点距 4m、6.8m、8.5m、9.7m、11.5m、12.6m、15.4m，纵坐标分别是用断面平均含沙量与相应各点单样含沙量的比值。

同理根据上述引用国标的规定，即可得出结论:12.6m处作为单样取样位置比较合适。