石门站单沙及单颗取样位置优化分析

2020-07-25匡永清

湖南水利水电 2020年3期

匡永清，任旺

（1. 常德水文水资源勘测中心，湖南常德 415001； 2. 石门县水文局，湖南常德 415300）

1 概述

石门站是澧水干流总控制站，设立于1980 年1 月1 日，位于石门县楚江镇东方桥路，东经111°23′，北纬29°37′，集水面积为15 307 km2，属于国家基本站网中的重要水文站。主要观测项目有：水位、水温、流量、降水量、泥沙、水质分析，流量和泥沙测验均属一类精度站。

该站测验河段顺直长约2 km，基本断面位于河段中部，主槽在右岸起点距279～330 m 之间，属典型宽浅式河床，河床由砂砾石组成，两岸为块石护坡堤岸。断面历年变化较稳定，冲淤变化在±3%以内。上游约5 km处有石门三江口水电站（径流式），中低水受电站出力的影响，水位变化频繁；下游约15 km 处有临澧青山水轮泵站（兼发电），电站出力对水位变化有影响，正常蓄水位形成的回水顶托至基本断面以上。

受其影响，该站流量整编方法采用上游辅助水位与流速仪测流断面流量建立相关关系，一般年份多为临时线（高水合线，低水分叉），个别年份高水出现半边绳套线。

历年采用水文缆道测流、水文测船测流测沙；水面浮标法和ADCP 走航式作为中高水的应急方案。

2 泥沙测验情况简介

2.1 输沙率测验及整编

2.1.1 悬移质输沙率测验方法

自建站以来，石门站泥沙测验设施主要是水文测船，测验设备为横式采样器，测验方法采用11 线的选点法、垂线混合法、全断面混合法，其中全断面混合法采用水面0.0 一点法施测，该方法主要是应对高洪水的泥沙测验，适用在高水位级55.21 m 以上使用，测沙历时一般在0.5～1.2 h。历年悬移质输沙率整编方法采用单断沙关系整编。

2.1.2 任务要求

泥沙为一类精度站，按照《河流悬移质泥沙测验规范》与任务书的要求，全年测次以准确定出单断沙关系曲线为原则，全年应不少于15 次。

2.1.3 悬移质输沙率资料整编

历年悬移质输沙率采用单断沙关系整编。除1982年单、断关系线为折线外（含沙量<0.9 kg/m3为1.12，含沙量≥0.9 kg/m3为1.02），其它年份均为直线关系。历年采用单断沙关系系数见表1。

表1 石门站历年泥沙整编情况统计表

根据“湘水文测便字（2006）第18 号”文件批复，该站从2006 年起悬移质输沙率执行校测3 年常测1 年方案，校测年份，每年布置4～6 个测次，测次分布在各级沙量级，校测期间单断沙利用单断沙关系综合分析系数，采用分析值为0.991；2010 年和2014 年为常测年份，按规范及测站任务书布置测次。2015 年受上游水利工程江垭水库、皂市水库调蓄影响，采用综合分析系数三线检验不合格，故根据实测点定线，单断沙系数为0.961。基于2015 年测验整编情况，加之2016 年测验河段受石门县城城区滨江路工程建设的影响，石门站悬移质输沙率恢复常测，2016 年实测输沙率测次为50 次（不含舍去点第4 次、第5 次），经优选当年单断沙系数为0.953，各项误差均在规范范围内。

2.2 单断颗测验及整编

2.2.1 泥颗测验方法及任务要求

在悬移质输沙率实测过程中选择部分测次作为断颗资料分析，同时加测水温。粒径大小测验方法为粒径计法。

间测方案实施以前，每年断颗次数不少于10 次，单颗次数不少于50 次的任务要求，并控制好单断颗变化过程，利用当年实测点距定线。

间测方案实施后，期间采用单断颗综合线推求断颗，单颗测次控制其变化过程，单颗次数不少于50 次，石门站1996 年以来泥颗整编情况见表2。

2.2.2 测站精度划分

该站1980～1995 年属泥沙颗粒分析一类精度站，1995 年“湘水文水资源质字（1995）第03 号文”改定为泥沙颗粒分析二类精度站。

2.2.3 间测方案实施过程

根据“湘水文保字（2001）第02 号”文件批复，从2001 年起泥沙颗粒分析断颗实行间测，方案为间2 年测1 年，间测期间采用历年单断颗历年综合线整编。

为了将断颗间测和断沙校测的时间间隔调整一致，2009 年“湘水文办（2009）23 号”文对“湘水文保字（2001）第02 号”文批复进行调整，新的批复为：从2009 年起泥沙颗粒分析断颗实行间测，方案为实行间3 年测1 年，间测期间采用历年单断颗历年综合线整编。

2015 年“湘水文办[2015]22 号”文，根据2006 年、

表2 石门站1996 年以来泥颗整编情况统计表

2010 年、2014 年3 年的实测断颗校测结果来看，中数粒径某粒径沙重百分数均值逐年变大趋势明显，且2014 年超过许多，故原间测方案停止执行，从2015 年起泥沙颗粒分析断颗恢复常测。

根据规范的要求，粗中细沙粒径划分标准：粗型（D50≥0.050 mm）、中型（0.025 mm

2.3 单沙位置及取样方法

1996 年以前单沙取样位置为起点距267 m，其后调整到起点距225 m，取样方法：垂线混合法（0.2、0.8等历时垂线混合），设备为横式采样器，采样器容积2 000 mL。

2.4 外界因素影响

2.4.1 上游水利工程影响

20 世纪90 年代以来，澧水干流石门站以上已建成的水利水电工程有贺龙、八斗溪、渔潭、花岩、红壁岩、茶庵、慈利城关、茶林河、三江口；支流溇水已建成的水利水电工程有江垭、关门岩、长潭河；支流渫水已建成的水利水电工程有张家渡、所街、中军渡、皂市。对本站影响较大的水利工程主要有江垭、皂市大型水利枢纽及以及渔潭、三江口水电站等。

2.4.2 人为活动影响

2015 年11 月开始，石门县澧水城区河段进行河道整治，整治范围为澧水大桥以上至新街口水位站以下，该范围属于石门站水位流量关系的控制河段，距基本水尺断面约300～2 500 m，河道整治方法是将原突出在河中的沙洲完全推平。河道整治工程在2016 年3 月中旬左右竣工。

3 分析理由

流域内水利工程的梯级开发，本站测验断面的水沙特性在上游三江口、江垭、皂市水库建成后发生了明显的变化，一是受水利工程拦蓄及调控（腾库）影响，中低水位及涨水段含沙量明显减少，高洪下高含沙量量值及出现频次大幅降低；二是不同支流来水的泥颗粒径不一；三是受石门县城城区河段整治的影响，测验特性发生了较大的变化（尤其是含沙量在断面横向分布上的变化），原测验方案已经不再适用。具体表象是：从近3 年单断沙关系整编系数来看，各年单断沙关系呈逐年减小趋势。2014 年采用综合线整编，系统误差达到了-1.1%，2015 年按综合线系数整编，各项误差超过规范值，采用当年实测点定线，单断沙系数为0.961；2016 年恢复常测，采用当年实测点定线，实测单断沙系数为0.953。从单断沙关系系数变化趋势来看，原定起点距225 m 单沙取样位置已失去代表性；从单断颗关系来看，2014 年、2015 年、2016 年不能利用综合线整编，均采用当年实测点距定线整编。

鉴于石门县城城区河段整治已经基本上趋于稳定和上述原因，本报告重新对单沙及单颗取样位置进行分析，选择最佳的单沙单颗取样位置，满足《河流悬移质泥沙测验规范》GB/T 50159-2015 第4.1.1 的规定：单沙测验方法宜使一类站单断沙关系线的比例系数在0.95～1.05 之间。同时满足第4.1.2 的规定：单样兼作单颗分析水样时，采样方法应满足代表断面平均颗粒级配的要求。

方案分析与编制根据《河流悬移质泥沙测验规范》GB/T 50159-2015（以下简称《规范》）。

4 方案优选分析

4.1 单沙取样位置优选

4.1.1 资料样本

基于上述原因，常德水文水资源勘测中心监测科根据2016 年前4 次实测资料进行了单样取样位置的分析，由于分析样本系列不够，在编制方案中既兼顾了原有的方案，同时也制定了应急预案，正式实施前上报湖南省水文水资源勘测局监测处，以确保2016 年泥沙及颗粒分析的定线整编。新方案从5 月14 日开始，单沙取样位置在起点距225 m 的基础上，另增加起点距120 m、195 m 两条垂线的相应单沙的取样，以收集完善后期样本资料，流量及输沙率测验仍维护原有方案。

2016 年共施测52 次输沙率测验成果（含选点法1次，垂线混合法32 次，全断面混合法19 次）；其中增加起点距120 m、195 m 相应单沙的输沙率测次有48 次（含选点法1 次、垂线混合法29 次、全断面混合法18 次）。

样本系列中实测最高水位58.60 m，最低水位50.19 m，占历年水位变幅的81.8%，实测最大断沙为1.77 kg/m3（输沙率测次：第43 次），其各起点距120 m、195 m、225 m 相应单样含沙量分别为1.77 kg/m3、1.80 kg/m3、1.75 kg/m3，占系列实测最大单沙的73.9%，占历年实测最大单样含沙量10.2 kg/m3（1982 年6 月20日）的31.8%。

4.1.2 输沙率单样取样位置优选规定

根据《规范》第8.2.3 条规定：

1）采用单断沙关系的站，单沙测验方法应能使单断沙关系保持稳定。在取得30 次以上的各种水流条件下的输沙率资料后，应进行单沙测验方法和测验位置分析。在每年的资料整编过程中，应对单沙测验方法和测验位置进行检查、分析。

2）断面比较稳定，主流摆动不大的站，应选择若干次能代表各级水位、各级含沙量的输沙率的资料，绘制垂线平均含沙量与断面平均含沙量的比值（Csm/Cs）横向分布图，在图上选择Csm/Cs 值最集中，且等于1处，确定1 条或2 条垂线，作为单沙测验位置，由此建立单断沙关系曲线，进行统计分析，一类站相对随机不确定度不应大于14%，二、三类不应大于20%。

本报告通过单沙取样位置优选法和实测单断沙关系检验来确定最优的单沙取样位置。

4.1.3 单沙取样位置优选法

根据《规范》规定，对2016 年已收集到的33 次垂线混合法输沙率测验资料（1 次选点法不做垂线混合处理），利用各垂线平均含沙量与断面平均含沙量的关系进行优化，采用平均比值法、相关系数法、回归系数法三种不同方法进行优选，满足规范垂线平均含沙量与断面平均含沙量的比值最集中，且等于1 处，选择最优单沙取样垂线位置。

1）采用平均比值法：利用各垂线平均含沙量与断面平均含沙量之比的平均值，其均值最接近1 的所在垂线为最优。在方案分析中第1 条垂线和第11 条垂线属于转移垂线，不固定，不参与分析。成果见表3。

表3 分析系数统计表

2）采用相关系数法：相关系数γ 是用来衡量随机变量Y 与X 之间线形关系程度是否密切的一个统计量，即断面平均含沙量与各条垂线平均含沙量的关系程度。根据《水文统计原理》（黄振平编著）所提供的公式（8-27）：

式中 xi——第i 次的自变量，即第i 次断面平均含沙量（m/s）；

yi——第i 次的因变量，即第i 次垂线平均含沙量（m/s）；

x——自变量的均值，即i 次断面平均含沙量的均值（m/s）；

y——因变量的均值，即i 次垂线平均含沙量的均值（m/s）。

为了计算简捷，仍采用计算机Excel 2003 数据分析的相关系数分析，分析结果见表3，相关系数γ 越接近1，说明两相关变量相关性越好。

3）采用回归系数法：为了计算简捷，仍采用计算机Excel 2003 数据分析的线型回归分析，选择截距为0，置信度为95%，所定系数就是两者关系系数。分析结果见表3，回归系数越接近1，说明单断沙相关性越好。

通过以上三种方法对比分析优选来看，160 m 优于120 m，120 m 优于279 m，195 m 优于225 m，225 m处的为所有垂线最差单样位置，160 m 系数均是最优，系数也接近1。详见表4。

表4 分析系数优选垂线统计表

4.1.4 实测单断沙关系检验

根据《水文资料整编规范》SL 247-2012，用单断沙关系直线法，分别对起点距120 m、160 m、195 m、225 m的单沙取样位置进行单断沙定线，并进行定线精度和三线检验来确定是否满足要求。需要说明的是，由于160 m 处没有施测起止时间的相应单沙，根据《规范》3.6.3“相应单样的取样次数，在水情平稳时取一次，有缓慢变化时，应在输沙率测验的开始和终了各取一次，水沙变化剧烈时，应增加取样次数，并控制转折变化”。将160 m 既做断沙也兼做单沙，进行定线和检验。不同单沙取样位置检验结果见表5、图1～图4。

表5 三线检验统计表

图1 起点距120 m 单断沙关系图

图2 起点距160 m 垂线平均含沙量与断面平均含沙量关系图

图3 起点距195 m 单断沙关系图

图4 起点距225 m 单断沙关系图

上述分析表明，起点距195 m、225 m 单沙取样位置的单断沙关系系数虽在规范值0.95～1.05 范围内，但定线精度不符合规范“一类站相对随机不确定度不应大于14%”的要求；起点距120 m、160 m 单样取样位置的单断沙关系三线检验及定线精度均满足要求，但从单沙取样位置的单断沙关系系数来看，160 m（K=1.000）优于120 m（K=1.018）。

综合单沙取样位置优选法和实测单断沙关系检验两种结果，起点距160 m 单样取样位置代表性最佳。

4.2 单颗取样位置优选

4.2.1 资料样本

2016 年共施测断颗25 次，相应单颗采用起点距225 m，考虑到河段整治带来的水沙特性变化，以及与输沙率测验方案一致，增加起点距120 m、195 m 两处的单颗取样，共收集样本资料22 次。其中有4 次断颗资料因分析时间超过1 个月，不能参与整编，加之资料整编中舍去的3 次测量误差较大测次，参与整编实际测次为15 次。

4.2.2 单颗取样位置优选

参照《规范》第3.6.1 条，第3 款规定“兼作颗粒分析的输沙率测次，应同时观测水温。当单沙采样方法与单颗采样方法相同时，可用相应单样作颗粒分析；不同时，应另取水样作颗粒分析”。

参照《规范》第8.2.3 条规定“采用单断沙关系的站，在取得30 次以上的各种水流条件下的输沙率资料后，应进行单沙测验方法和测验位置分析”。

将全年25 次单断颗测次参与优选分析，并参照以上分析方法，将9 条相应垂线颗粒作为实测单颗小于某粒径沙重百分数，与实测断颗小于某粒径沙重百分数建立相关关系得出：起点距279 m 处为最优，其次是160 m 处。从回归系数来看，起点距160 m 处为最优，330 m 次之。优选结果见表6。综合上述分析结论，起点距160 m 处为最优。

4.2.3 实测单断颗关系检验

将起点距120 m、160 m、195 m、225 m 实测相应单颗与断颗定线，并进行定线精度和三线检验来确定是否满足要求。需要说明的是，由于160 m 处没有施测起止时间的相应单沙，根据《规范》3.6.3“相应单样的测验次数，在水情平稳时一次，有缓慢变化时，应在输沙率测验的开始、终了各测1 次，水沙变化剧烈时应增加测验次数，并控制转折变化”。将160 m 既做断颗也兼做单颗，进行定线和检验。不同单颗取样位置检验结果见表7、图5～图8。

表6 垂线优选顺序表

表7 三线检验统计表

图5 起点距120 m 处单断颗关系图

图6 起点距160 m 处单断颗关系图

图7 起点距195 m 处单断颗关系图

图8 起点距225 m 处单断颗关系图

通过定线精度和三线检验，起点距120 m 的单颗取样位置三线检验不符合要求；160 m、195 m、225 m 的单颗取样位置的定线精度均满足不确定度及系统误差应分别控制在18%、±5%范围内的要求。其中，160 m 处系统误差最小。

综合单颗取样位置优选和实测单断颗关系检验2种结果，起点距160 m 单颗取样位置代表性最佳。

5 分析结论与建议

5.1 分析结论

根据以上分析，受石门城区澧水河段整治及上游水利工程的综合影响，该站水沙特性随之发生了较为明显的变化，原起点距225 m 处单样取样位置逐渐失去了代表性，从而影响单断沙关系和单断颗关系建立，鉴于此，起点距225 m 不能作为单样及单颗取样位置，需要重新分析确定单样取样位置。经分析结论如下：单沙取样位置：起点距160 m 处代表性最佳。单颗取样位置：起点距160 m 处代表性最佳。综上两方面结论，起点距160 m 处为单沙及单颗取样位置。