汉口水文站异步测沙分析

纪 彭

（长江中游水文水资源勘测局，武汉 430014）

汉口水文站为控制长江中游干流在汉江汇入长江后的水情基本站，属—类精度水文站、一类泥沙站。测验河段上窄下宽，呈喇叭型，断面下游有天兴洲横亘江心，中、低水时断面控制较好。测验断面左岸河床由细沙组成，右岸河床由粗沙组成。左岸河床较右岸河床冲淤变化大，导致左岸断面形状变化较大，已由原复式河床变为单式河床，左浅右深。断面冲淤变化规律为涨冲落淤。

1 异步测沙分析方案

1.1 部分流量权重法推算断面平均含沙量原理

《河流悬移质泥沙测验规范》中断面输沙率和断面平均含沙量的计算公式如下：

式中：Qs为断面输沙率（t／s或kg／s）；Qsm1、Csm2、……Csmn为垂线平均含沙量（kg／m3）；q0、q1……qn为以取样垂线分界的部分流量（m3／s）为断面平均含沙量（kg／m3）；Q为断面流量（m3／s）。

上式各取样垂线的垂线平均含沙量为实测，取样垂线间部分平均含沙量、取样垂线间部分流量采用实测值计算所得。

部分流量权重法推算断面平均含沙量原理，就是悬移质输沙率测验与流量测验异步施测（即进行悬移质输沙率测验不同时施测流量），而是采用历年流量测验资料来分析在悬移质输沙率测验时各取样垂线间部分流量权重系数（取均值），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）。

将式（1）代入式（2）中，则：

各部分流量权重系数用k0、k1……kn表示

则：

1.2 权重系数法推求断面平均含沙量的方法

本次分析选用该站2004～2011年共282次悬移质输沙率及流量测验资料，并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，见表1），资料系列连续，测验方法一致，为开展资料分析提供了可靠的条件。需要说明的是，本次分析选用的样本是从2009年第13次输沙开始反算（左右岸采用新的固定起点距的实测资料），由于汉口站已经实行单值化测验，按照单一线的布点要求，枯季和低水位时流量输沙率测点较少，一般为1月1次，可以按照原有方法进行测验。

通过对计算结果进行分析，单次流量各部分权重系数，与不同的来水、来沙、水深和垂线平均流速的测量精度有关。因此各测次相同取样垂线间的部分流量权重系数不稳定。根据断面输沙率和平均含沙量的计算公式所知，利用部分流量权重系数法推算断面平均含沙量的误差大小主要与部分流量权重系数的精度有关。因此，采用统计多次资料的算术平均值来计算权重，见表1。

通过计算，低水时反算输沙率误差较大，靠左水边几条垂线间部分权重系数改动见表2，其它垂线间部分流量权重系数不变。

2 方案测验精度评估

2.1 反推断面输沙率精度评估

利用汉口站2009、2010、2011年共计3年实测悬移质输沙率测验资料，共77次，采用固定权重系数方案推算断面输沙率，并与实测的断面输沙率进行相对误差分析计算。相对误差统计见表3。

表1 各垂线间部分流量权重系数表

表2 低水左岸各垂线间部分流量权重系数表

表3 断面输沙率误差统计表

通过反算的相对误差统计可见，误差平均值较小在±1%之间，说明没有系统性的偏离，相对误差偏离值较小。其中较大的原因是部分流量分布在780－1 060处变化较大，而在780－1 060处的含沙量变化也较大，两者相乘导致误差偏大。但从全年来看，误差偏离在3%以下的较多，可以忽略这一因素。

从反算结果中比较垂线间部分流量权重与采用值之间误差，见表4。从统计结果可见，断面中间垂线的权重误差较小，尤其在920－1 800之间误差在±10%以内。靠近岸边垂线误差较大，但由于权重较小，如左水边－430权重仅1.36，占全断面约1.31%，对全断面影响较小。而且各垂线间有相互抵偿作用，如430－500间偏大，而500－780偏小，两部分流量参与输沙计算时相互补偿，从而使采用权重计算断面总输沙率与实测误差较小。

2.2 反推断面平均含沙量单断关系评估

利用反算断面输沙率求断面平均含沙量，通过南方片定各年单断关系，查看误差是否在允许范围内。见表5。

统计分析异步测沙前，进行各误差比较见表6。

表4 反算时实测垂线间权重与采用权重比较

表5 汉口站悬移质输沙异步测验推算断面含沙量成果误差统计表

表6 汉口站悬移质输沙异步测验前断面含沙量成果误差统计表

根据定单断关系线，求单断关系公式，分析异步测沙前后断沙的偏离情况，统计见表7。

表7 异步测沙前后断沙的偏离情况表

从表中可以看出，其各误差均在规范规定的允许范围内，单断关系线合理，3年反算结果来看，没有系统性的偏离。可见，采用部分流量权重系数法所推算断面平均含沙量的测验精度较高，可以采用。

3 结 论

用部分流量权重系数法推算断面平均含沙量，其理论原理充分，汉口站通过3年的资料验算精度较高，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，更好地抓测含沙量变化过程，提高悬移质输沙率测验精度。同时也为ADCP投产后的悬移质输沙率测验找到了一种新的方法，经分析认为汉口站采用异步测沙方案可行。