渭河咸阳水文站单断颗关系线的确定

李海霞 窦敏 柯桂英

【摘要】目前的泥沙测验技术水平，还无法实时直接测得通过河流某一断面的泥沙颗粒级配过程。文章通过对激光衍射法分析所得咸阳水文站十年来实测悬移质颗粒级配数据的分析，绘制单样颗粒级配（简称单颗）与断面平均颗粒级配（简称断颗）关系线（简称单断颗关系线），并进行三项检验与定线精度计算，确定适合咸阳水文站的单断颗关系线。通过在单颗过程控制下，用于推求通过该断面各种时段的断颗过程。

【关键词】激光衍射法；实测悬移质颗粒级配；单断颗关系；三项检验；定线精度计算；咸阳水文站

0引言

咸阳水文站属于黄河一级支流渭河流域，是用来搜集河流、湖泊、水库等水体的水文、气象资料的基层水文机构，为渭河下游及其相关流域提供重要的水文数据，对指导和帮助人们正常的生产生活发挥着重大作用。2004年，咸阳政府建设咸阳湖工程，将测验河段4.7公里长自然河道一分为二，河段右侧252米宽为自然河道，河段左侧276米为湖区，中间用高3.6米、宽4.6米的中隔墙分开，湖区上下游各建一条长273米、高3.6米的橡胶坝，用于拦蓄湖水，整个工程2005年7月完工，工程蓄放水对测验影响极大，对泥沙单断颗关系亦有所影响。

单断沙关系分析主要是指通过点绘全年各次实测断面输沙率的相应单沙和断沙的关系图，分析关系点的分布特性、点带宽度和影响单断沙关系的因素，检查断沙测次能否满足定线要求，有无突出偏离的测点。对提出特殊点应做深入分析和处理。造成突出点偏离的原因可能有：相应单沙的脉动误差大，测次不足，取样位置和取样方法变动，代表性不好以及计算错误等；也有可能是由于特殊水情、沙情影响所致，如断面冲淤变化剧烈、主流大幅度摆动等。渭河咸阳水文站就是由于断面发生变化，所以需要对其单断颗关系进行新的定线分析，以保证泥沙定线精度，保证整编质量。

咸阳水文站是单断沙关系良好、比较稳定的测站，可采用单断沙关系曲线法推求断沙。全年的单断沙关系点密集且分布呈一带状，关系点无明显系统偏差，有75%的点与平均关系线的相对偏差，在中、高沙时不超过10%，低沙时不超过15%，即可根据关系点的分布趋势，通过点群中心和原点，将单断沙关系定成单一直线或光滑曲线。

单断沙关系单一线的精度需要符合《悬移质泥沙关系曲线法定线精度指标表》的要求，同时还需经过符号检验、适线检验和偏离数值检验，合格后方可确定，并据以由各次实测单沙资料用计算公式、关系系数、插值法推求相应时刻的断沙和输沙率。

[U1]本文过用咸阳水文站2005-2014年实测悬移质颗粒级配数据建立单断颗关系线，并进行符号检验、适线检验、偏离数值检验三种检验方式与计算实测点对关系线的标准差、随机不确定度、系统误差计算。最终确定一条适合咸阳水文站的单断颗关系线。

1 泥沙颗粒级配数据的来源

1.1 泥沙颗粒级配的测定方法

激光粒度分析法是根据单色的激光射入到粒群后，小颗粒散射（衍射）角大，大颗粒散射（衍射）角小的原理制成的測定粒度的仪器，其物理基础是米氏全散射理论和弗朗霍夫理论。让一束平行单色光照射样品池中的颗粒，使之产生光的衍射、散射，大小不同颗粒衍射、散射后产生的光投向布置在不同方向的光接收器（检测器），再经光电转换器将接受的光能信息通过计算模型转化成粒级级配分布的信息。若被测试样品为泥沙，则测试结果为泥沙粒径级配分布。

1.2 仪器设备使用范围

采用英国马尔文仪器公司生产的MS2000激光粒度分析仪，测量范围为0.02～2000μm，浓度适量。根据历年资料咸阳水文站泥沙粒度范围为0.02～1000μm。

2 质量控制

2.1 仪器质量控制

仪器的工作性能直接决定着测试结果的质量，测试仪器的检测是质量控制的重要内容之一。本次测试样品的激光粒度分析仪严格按照相关规定进行检测校准。主要方法为用"标准粒子"对激光粒度分析仪进行检测，比较仪器对标准粒子的测试结果与标准粒子的级配分布是否一致。

2.2 作业技术的质量控制

操作人员个人的技术熟练程度是控制实验质量的重要保证，测试样品前采用基础提高和专题强化相结合对人员进行技术培训和考核，尽量消除个人之间的操作差异。结合使用的仪器和技术方法，采用实际的沙洋，开展单人重复性、平行性检验和多人的平行性操作检验，以保证人员操作水平的可靠性。

3 测试数据结果分析

3.1 单断颗关系线的绘制

采用咸阳水文站2005-2014年实测悬移质颗粒级配共计273个测点，以实测单颗小于某粒径体积百分数为纵坐标，相应的实测断颗小于某粒径体积百分数为横坐标，用同一比例尺在普通坐标纸上点绘。绘图的比例尺以能准确读出0.5%的小于某粒径体积百分数。绘制的关系线下端均应通过纵坐标的零点，上端是否通过纵坐标的100%一点，应根据关系点分布情况而定，关系线见图1 。

3.2 关系线检验

关系线为单一曲线、使用时间较长的临时曲线及经单值化处理的单数值一线，且测点在10个以上者，应做符号检验、适线检验和偏离检验，并应符合下列要求：

3.2.1 符号检验

进行符号检验时，应分别统计测点偏离曲线的正、负号个数（偏离值为零者，作为正、负号测点各半分配），按式（3.2-1）计算统计量u值，并将其与用给定的显著性水平α（0.25）查表3.2-1所得的u1-α/2比较。当计算的u

u= （3.2-1）

式中：u-统计量；n-测点总数；k-正好或负号个数；p、q-正、负号概率，各位0.5；*-连续改正数（离散型转换为连续性）。

3.2.2 适线检验

进行适线检验时，应按单颗由低到高排列顺序，从第二点开始统计偏离正负符号变换，变换符号记1，否则记0.统计记"1"的次数，按式（3.2-2）计算u值，并与给定的显著性水平α（0.10）查表3.2-1所得的u1-α值比较，当u

（3.2-2）

式中：u-统计量；n-测点总数；k-变换符号次数，k<0.5（n-1）时作检验，否则不做此检验；p、q-变换，不变换符号的概率，各为0.5。

3.2.3 偏离数值检验

进行偏离数值检验时，应按式（3.2-3）和式（3.2-4）分别计算t值、值，并将t值与用给定的显著性水平α查表3.2-2所得的t1-α/2值比较，当

3.2.4显著性水平α值得选用与临界值的确定应符合下列要求：

3.2.4-1 符号检验，α值采用0.25，临界值按表3.2-1确定

3.2.4-2 试线检验，α值采用0.05～0.10，临界值按表3.2-1确定

3.2.4-3 偏离数值检验，α值采用0.10～0.20，临界值按表3.2-2确定

3.3 定线精度计算

稳定的悬移质单断颗关系线，应计算实测点对关系线的标准差、随机不确定度和系统误差，单一线法定线的随机不确定度及系统误差应分别控制在18%、±5%范围内，并应符合下列要求：

3.3.1实测点标准差可按式（3.3-1）计算：

（3.3-1）

式中：se-实测点标准差；Pdi-第i实测点某粒径级实测断面颗粒级配，%；Pdci-第i实测点某粒径级单样颗粒级配在单断颗关系曲线上查读的断面颗粒级配，%；n-实测点总数。

3.3.2随机不确定度可按式（3.3-2）计算

=2Se （3.3-2）

3.3.3系统误差可采用实测点对关系线绝对误差的平均值。

4 测试数据的計算结果

4.1符号检验结果

u=0.605< u（1-α/2）（值= 1.15 α=0.25） 检验通过

4.2适线检验结果

u=0.667< u（1-α）（值= 1.28 α=0.10） 检验通过

4.3偏离数值检验结果

|t|=1.194< t（1-α/2）（值= 1.28 α=0.20） 检验通过

4.4标准差计算

标准差=1.20%

4.5随机不确定度计算

随机不确定度=2.4%

4.6系统误差计算

系统误差=+3.8%

5结语

（1） 咸阳水文站单断颗关系稳定，关系点密集成一带状，且无系统偏差，可采用单一线法推求断颗，且关系线大致呈45度。经过对图1的各项检验指标和定线精度指标计算，均符合水利行业相关规范。

（2） 为了此条单断颗关系线有更广泛的应用，对单、断颗从0%-100%定出了20组节点。0，0；5，4.9；10，9.8；15，14.8；20，19.5；25，24.7；30，29.6；35，34.9；45，44.9；50，49.9；55，54.8；60，59.8；65，64.7；70，69.9；75，74.9；80，79.9；85，84.9；90，90；95，95.1；100，100。

参考文献：

【1】 和瑞莉，李静，等译。英国马尔文仪器有限公司。马尔文MS2000激光粒度分析仪使用手册【M】。郑州：黄河水利出版社，2001.11

【2】 水利部黄河水利委员会水文局。中华人民共和国水利行业标准。水文资料整编规范。【M】北京：中国水利水电出版社，2012.12