切德克水文站悬移质输沙率间测问题探讨

王 颖

（伊犁水文勘测局,新疆 伊宁 835000）

1 测站概况

切德克河流域在新疆伊犁霍城县西北,流域发源于天山北麓科古尔琴山脉,流域包括大东沟、果子沟、萨尔布拉克河、匹里青河、吉尔格朗河等较大的支流,地形由东北向西南方向逐渐呈倾斜态势。切德克河流源头高程3912 m,出山口高程889 m,高程均值2649 m。切德克水文站建在切德克流域出山口位置,测站在出山口高程以上的集水面积287.6 km2,该测站属于具区域代表性的一类精度站,主要水文测验项目包括流量、流速、水位和泥沙。

切德克河属于高含沙河流,植被覆盖率低,降水稀少且蒸发极大,土壤抵御冲刷侵蚀能力差,水土流失较为严重。流域属典型的山溪性陡涨陡落河流,汛期通常在每年的6 月~9 月,大规模的降雨和径流集中在汛期,且洪水历时短,泥沙过程和洪水过程具有一致的变动趋势,全年均采用临时曲线法进行水位流量关系定线。测站含沙量年平均值为110 kg/m3,历年含沙量最大最小值分别为794 kg/m3和0,含沙量年内分布极不均匀,汛期含沙量在全年总含沙量中的占比为99.8%,10 月~次年5 月的非汛期的含沙量几乎为零。输沙率的年内分布情况与含沙量极为相似,输沙率年平均值为45.4 kg/s,历年输沙率最大最小值分别为79.7 kg/s和4.53 kg/s。

2 测验情况

切德克水文站自建站以来,泥沙监测项目主要包括含沙量、悬移质输沙率等项目,采用单断沙关系曲线法进行断面含沙量均值的推求,其输沙取样位置及方法主要以断面位置为基础,分别在起点距8 m、10 m、12 m、14 m及16 m、18 m等处设置器皿采样器取样,并采用5/15 全断面混合法。测站近年泥沙监测统计结果显示,该测站历年单断沙关系稳定,且基本属于单一线性关系。

3 输沙率间测分析

3.1 资料的选用

考虑到切德克水文站于1960 年建站,其自建站后便开始泥沙监测,至今为止,测站持续实测输沙率资料已有60 年,且2018 年及以前年份的输沙率资料均经过测站整编和分局审查,为便于分析,选取切德克水文站2010 年~2017 年的泥沙监测资料,本文分析资料系列长度符合相关规范要求,且所选资料均通过相应测站整编和分局审查、全国复审,可靠性有保证。

本文悬移质输沙率间测分析所选用的数据既符合相关规范要求,还具有较好的横跨平水、枯水和丰水年的代表性。实测悬移质输沙率水位在18.85 m~29.74 m范围内变动,所对应的历年水位在18.46 m~29.86 m范围内变动；实测输沙率沙量在0.056 kg/m3~8.79 kg/m3范围内变动。实测悬移质输沙率水位变动幅度在所对应历年水位变动幅度中占比98.1%,实测输沙率沙量变动幅度在所对应历年输沙率沙量变动幅度中占比96.7%,符合悬移质输沙率间测分析对监测资料的相关要求[1]。

3.2 间测分析

3.2.1 历年单断沙关系

切德克水文站历年单断沙关系系数的取值见表1。根据测站历年单断沙关系系数可知,其历年单断沙关系曲线均为从原点出发的单一直线,且断沙Cs=单断沙关系系数Kcs×单沙Cs'。根据对该测站历年单断沙关系系数的分析不难发现,Kcs在一般情况下均不等于1 ,所以,通过Kcs≠1 情况下垂线混合法综合单断沙关系曲线便能推求出综合单断沙关系系数,从而对切德克水文站悬移质输沙率测次的精简、间测以及单断沙关系的深入分析提供科学依据。

表1 测站历年单断沙关系系数

3.2.2 垂线混合法综合单断沙关系线

分析切德克水文站垂线混合法综合单断沙关系线的主要目的在于精简输沙率测次及间测,按照《河流悬移质泥沙测验规范》的相关规定,对于有5 年~10 年以上泥沙水文资料的二、三类水文测站,其实测输沙率沙量变动幅度在历年变动幅度中的占比在70%以上,且水位变动幅度在历年变动幅度中的占比在80%以上的情况下,应按照以下步骤[2]分析间测输沙率：

（1）按照沙量级将历年悬移质输沙率及单样含沙量实测值分组,并根据各量级组的均值进行历年综合单断沙关系线的绘制；

（2）在历年综合单断沙关系线图上套绘各年单断沙关系线,若各年单断沙关系线与所对应年份的综合单断沙关系线的偏差最大值不超出5%,则可实行间测；根据规范规定,若输沙率沙量及水位变动幅度不满足上述条件,但符合其余条件,则可在已经实测的变动范围内间测；

（3）间测过程中应仅进行单样含沙量实测,资料整编主要根据历年综合关系线进行。

切德克水文站因受库区闸坝调节影响较大,其本身泥沙测验精度为三类,并根据所取得的切德克水文站输沙率实测资料及相关要求间测悬移质输沙率。按照沙量级将切德克水文站2010 年~2018 年悬移质输沙率及所对应的单样含沙量实测值划分为10 组（见表2）,并根据各组含沙量实测均值组成10 个单断沙均值关系点,进行历年综合单断沙关系曲线 （断沙Cs=1.011×单沙Cs'）的绘制,见图1。

表2 单样含沙量级分组 单位：kg/m3

图1 切德克水文站单断沙关系综合曲线

由图1可知,切德克水文站单断沙点群关系较为密集,且表现为带状分布趋势,通过原点与各均值关系点所定出的关系直线便是各组均值关系点的垂线混合法综合单断沙关系线。历年所实测中高沙以下单断沙输沙率关系点子呈密集型堆砌形式,但单沙>3.5 kg/m3的点子较少且不具有均值代表性。

综合单断沙关系系数Kcs是垂线混合法综合单断沙关系线的斜率,检验Kcs∈[1.015,1.020 ]区间的垂线混合法综合单断沙关系线的适线、符号及偏离程度等的检验,且检验结果均具合理性,且Kcs=1.011 时垂线混合法综合单断沙关系线的适线、符号及偏离程度等检验效果最佳,故以此为重点分析情况,具体而言,当Kcs=1.011 时,垂线混合法综合单断沙关系线系统误差为0.24%,在±2%的范围内；标准差为3.68%；随机不确定度为6.87%,在±18%的范围内；偏离垂线混合法综合单断沙关系线不超过±5%的点子占84.5%。在单断沙综合曲线图上绘制±5%的外包线,则至少84%的单断沙均值关系点全部包含在外包线以内。通过计算各年单断纱关系线和综合单断沙关系线的偏离程度发现,其偏离值在-2.7%~2.5%区间内变化,并未超出±5%的范围,这也表明,各年单断沙关系线之间具有密切且稳定的关系,且垂线混合法单断纱关系线在综合单断沙关系系数Kcs=0.011 时满足输沙率间测的精度要求。

3.3 分析结果

切德克水文站历年单断沙关系均为过原点的线性直线,垂线混合法综合单断沙关系线和各年单断沙关系线并无较大程度的偏离。结合相关规范要求,并综合本文相关分析论证,切德克水文站输沙率测验符合间测要求,实行输沙率间测可行。近年来,随着流域上游河道水利枢纽、水库、水电站等工程的建设,导致测站水沙特性显著改变,含沙量明显减少。流域附近的国家级水文气象站历年悬移质输沙率测验通常在中高沙情况下进行,而切德克水文站并非位于主要的产沙区,其在流域水利工程建设的不断影响下,已经不适合作为一类精度泥沙站进行河道治理、河床演变及重大水利工程设计管理等方面的研究,为此,应将该测站悬移质泥沙测验精度调整为二类精度,便于进行输沙率间测。间测过程中通过垂线混合法综合单断沙关系线关系系数进行泥沙资料整编和断沙推求,根据所得出的综合单沙关系系数取值可以判定,其对含沙量的影响很小。当Kcs=1.008 和1.013 时[3]不同沙量级相对误差分析结果见表3。

表3 Kcs=1.008和1.013时不同沙量级相对误差结果

通过表3 可以看出,当Kcs取值在1.008 ~1.013 范围内,对测站含沙量影响并不大,所引起的相对误差最大为-0.72%,该误差值远小于悬移质泥沙关系曲线法定线精度指标一类精度测站系统误差±2%和二类精度测站系统误差±3%[4]。所以,切德克水文站悬移质输沙率间测过程中垂线混合法综合单断沙关系线关系系数取1.008 ~1.013 范围内的任一值进行断纱推求,均不会产生明显误差,也不影响资料整编结果精度。

4 结论

本文对切德克水文站悬移质输沙率间测的分析结果表明,随着测站所在流域上游水库、水电站、水利枢纽等工程建设规模的增大,该测站以后的悬移质泥沙资料应仅适合作为三类精度泥沙站用于河道治理、河床演变分析和水利工程设计方面,故应按照悬移质泥沙三类测验精度进行该测站输沙率间测。在间测过程中,若因工程措施等人类活动影响而使断面含沙量超出历年实测变动幅度,则应及时恢复输沙率测验。