新江口水文站悬移质泥沙测验方案优化研究

张莉 陶武亮 张孝军 田岳明

摘要：为解决新江口站当前流量测验次数少、泥沙测验次数多，现有泥沙测验方案测验历时长、劳动强度大，不利于抢测沙峰，不适应断沙与流量异步测验的问题，采用等部分流量全断面混合法对现有测验方案进行了优化，优化后的测验方案可将原来的9线2点取样精简为5线2点取样。结果表明，优化方案各项误差均满足要求，可投产应用。

关键词：泥沙测验;流量测验;含沙量;悬移质;新江口水文站

中图法分类号：TV149文献标志码：A

文章编号：1006-0081（2019）01-0018-05

1 测站概况

新江口站始建于1954年2月，为荆江四口之松滋河（西支）主要控制站，测验断面距松滋口42 km，距松滋河东、西支分流的大口12.5 km。断面上游约1.4 km有一座公路桥，大桥上游800 m处有一大弯道，断面上下1 500 m范围内较顺直。测验河段为S型，河槽为U型，中高水位主槽宽度约250～300 m。河床系细沙组成，断面略有冲淤变化。断面下游1.7 km新建一座公路桥，新桥下游1.8 km南岸有支流集松滋境内山区水流汇入松滋河（西支）。

新江口站历年实测最低水位为 34.05 m，最小流量为0，最高水位为 46.18 m，最大流量为7 910 m3/s。每年5月1日至10月15日为汛期，其他月份为枯季;7～9月为主汛期，水量约占全年总水量的61.7%，1～4，11，12月枯季水量占全年的 8.2%。年均水位 36.62～38.84 m，年均流量 404～1 350 m3/s。历年最大含沙量为13.4 kg/m3，三峡水库蓄水运行后，2006年断面平均含沙量明显偏小，2005年以前年均含沙量为 0.920 kg/m3，2006年以后年均含沙量仅为 0.110 kg/m3。

2013年之前，新江口站测流测沙均采用船测法。为利于巡测工作开展，新江口站2012年新建了水文缆道，2013年进行了缆道与船测比测工作，2014年缆道测验正式运行。水文缆道断面位于基下24 m，船测断面位于基下160 m，两断面距离较近。该河段自然形成，左右岸均有抛石护岸，断面形状一致，图2（a）表示起点距0起算点在右岸，图2（b）表示起点距0起算点在左岸。两断面受相同的水力因素影响，河槽控制基本一致，测验的流量、输沙资料为连续系列。

2 优化目的

为推进水文测验方式方法技术创新，新江口站通过引进先进仪器设备、优化流量测验方案逐步实现了驻测、巡测等相结合的管理模式[1-2]。新江口站按水位流量单值化布置流量测次、优化流量测验方案后，流量测验次数较少;但根据断沙过程线法布置输沙率测次，要控制住含沙量变化过程，断沙测验次数仍然较多，经常存在需要测沙而不需测流的情况。同时，水文缆道投入运用后，输沙率测验取样采用积时式采样器，每条测验垂线取样时必须先施测垂线平均流速，再计算取样历时;然后根据取样历时取样，每线取一个水样，缆道要来回运行多次，时间长、劳动强度大，不利于控制住含沙量变化过程和抢测沙峰。

因此，有必要对新江口站现有泥沙测验方案进行优化。采用合理的全面混合法测验方案，进一步精简取样垂线数量。尽可能在满足规范要求的前提下，既能短历时、高效率抢测沙峰，又能减轻工作强度，适应断沙与流量异步测验[3-4]。

3 测验方案优化

根据历年新江口站测验大断面变化分析，新江口站测验断面比较稳定，可采用等部分流量全断面混合法进行悬移质输沙率测验，即按等部分流量中心布设垂线的方法，确定断面等流中线起点距，根据实测垂线平均含沙量推算等流中线垂线平均含沙量。采用试算的方法从现有缆道测验断面中精简取样垂线数量，根据精简后的垂线位置，采用相邻等流中线的垂线平均含沙量来推算精简后的取样垂线处垂线平均含沙量。

3.1 方案优化依据

根据《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）要求，采用不同的悬移质输沙率测验方法测定断面平均含沙量时，应符合部分流量加权原理。当部分面积不相等时，按部分面积的权重系数（即部分面积与总面积的比值）来分配各垂线的采样历时;再通过垂线混合法确定各测点的采样历时，取得的水样混合处理，即得断面平均含沙量。断面输沙率和断面平均含沙量的计算公式为

因此，优化缆道泥沙测验方案时，只要根据面积权重系数计算垂线取样历时，就可以得到符合部分流量加权原理的断面平均含沙量，在先进行取样垂线精简的基础上，采用积时式采样器开展全断面混合法输沙率测验。

3.2 优化分析

3.2.1 资料依据

优化分析所采用的资料为2003年三峡水库蓄水后14 a輸沙率测验资料，从各年的资料中选出含沙量大于 0.012 kg/m3的输沙率，共80次（含沙量 0.012 kg/m3以下资料因量值较小不参与方案分析）。其中2003～2013年选点法资料29次，2014年16次，2015年13次，2016年22次;高水期（42.70 m以上）15次，中水期（42.70～39.50 m）46次，低水期（39.50～37.00 m）19次。

3.2.2 优化方案

分别采用全断面混合法计算出8条、7条…5条垂线等方案相应断面平均含沙量，并与原实测断面平均含沙量进行比较，计算系统误差及相对标准差。在满足规范要求情况下，优选出精度较好且垂线数量较少的方案。

计算时，考虑到缆道测验的时间较短，且2013年之前新江口站泥沙测验为船测，为较好利用2013年前的测验资料进行优化比选分析，需对2013年前的资料进行相应处理，通过插补计算出缆道测验断面成果。因船测断面和缆道断面仅相距136 m，受影响水力因素相同，河槽控制基本一致，可采用等部分流量全断面混合法的原理，利用船测成果插补得出缆道测验断面的平均含沙量系列。具体方法为：分别根据船测断面和缆道断面的垂线布置，确定两断面等流中线起点距，根据船测实测垂线平均含沙量计算等流中线垂线平均含沙量;再由缆道测验断面精简后垂线的起点距，找出对应船测断面的相邻等流中线，由相邻等流中线的垂线平均含沙量插补得到对应缆道精简后垂线的平均含沙量;然后再计算全断面混合法平均含沙量。

对比采用精简5线、6线、7线、8线的全断面混合法计算的断面平均含沙量与原实测断面平均含沙量发现，各方案误差均满足规范允许值。因此最终采用精简5线方案，其取样垂线与原9线方案的取样垂线对比。精简后5条取样垂线起点距分别为70.0，120，150，180，240 m，精简5线全断面混合法计算断面含沙量成果与原实测值的误差统计结果见表1。从误差统计结果（见表2）可以看出，精简5线方案相对标准差为 2.0%，随机不确定度为 4.0%，系统误差为-0.1%，各项误差均满足规范要求。

3.2.3 优化后测验方案

根据以上分析结论，可以采用调压积时式采样器按5线2点全断面混合法进行断面平均含沙量测验（5条取样垂线的起点距分别为70.0，120，150，180，240 m），计算全断面取样总历时T，各垂线取样历时由部分面积权重系数K值确定。全断面取样总历时公式为

式中，T为全断面取样总历时，s;V水为取样器水样仓有效容积，mL;a为取样器进水管截面积，cm2;为断面平均流速，cm/s，可采用实测断面平均流速或根据实测水位再由水位流速关系查得断面平均流速。

各垂线的取样历时权重系数计算公式为

根据2003～2016年80次实测数据，计算各精简后5条取沙垂线的部分面积，再计算垂线部分面积权重，点绘水位-垂线部分面积权重，计算各取沙垂线部分面积平均权重系数（见表3）。

实际测验时，首先根据式（6）计算的全断面取样总历时，再根据表3中各取样垂线平均权重系数，计算每条垂线的取样历时，各垂线按其取样历时取样后，采用全断面混合水样计算断面平均含沙量。

4 结 语

优化方案确定的断面平均含沙量与原实测成果相比，相对标准差为 2.0%，随机不确定度为 4.0%，系统误差为-0.1%，均满足《河流悬移质泥沙测验规范》（GB50159-2015）的有关要求。新江口站可在缆道测验断面采用调压积时式采样器，按5线2点全断面混合法进行断面平均含沙量测验，5线起点距分别为 70.0，120，150，180，240 m。精简后的测验方案既可以短历时、高效率抢测沙峰，又能达到减轻工作强度的目的。

在对本方案进行优化分析时，考虑到2013年之前的资料为船测断面成果，缆道断面测验时间相对较短。当新江口站采用新的测验方案进行断面平均含沙量测验后，每年应在高中低水位级（也应考虑沙量级）布置3～5次9线2点垂线混合法测验。应对新方案的测验成果进行验证分析，以确定方案的稳定性;若发現新测验方案误差不能满足规范要求时，应立即恢复垂线混合法方案测验，并重新优化分析全断面混合法方案。

参考文献：

[1] 王俊. 长江水文测验方式方法技术创新的探索与实践[J]. 水文， 2011， 31（S1）： 1-3.

[2] 刘东生，陈守荣，李海源，等. 长江水文测验方式方法创新方案设计[J]. 水文， 2011， 31（S1）： 4-6.

[3] 黄夏坤，郝振纯，罗惠先，等. 悬移质取样垂线流量权重法测定断面平均含沙量的应用研究[J]. 泥沙研究， 2009， 4（8）： 63-67.

[4] 丁红尧，曾文锦. 城陵矶七里山站边沙与单沙关系试验研究[J]. 水利水电快报， 2016， 37（7）： 8-10.