桃江居龙滩站悬移质颗粒级配间测分析

程 亮 管运彬

(赣江上游水文水资源监测中心，江西 赣州 341000)

泥沙颗粒级配是影响泥沙运动形式的重要因素，收集泥沙粒径级配资料，研究其变化规律，在水利工程建设与管理、河道治理与防洪等方面有着重要意义。

泥沙颗粒级配分析是水文测验的重要内容之一，该项目需要人工驻站取样，任务繁重、分析耗时较长，不适应新形式下的现代水文发展理念。为落实好“驻巡结合、巡测为主”的水文监测模式，近年来，水文工作者围绕泥沙测验项目作了大量的精简分析，如赵建波[1]对渭河拓石站颗粒级配间测作了分析，祁向荣[2]对潘家庄水文站泥沙测验方式进行了探讨，通过对历年资料稳定性的分析，论证了实行间测方案的可行性，大大优化了测验方案。因此，本文对居龙滩水文站的泥沙颗粒级配资料进行分析，既符合当前现代水文发展的要求，又可解放生产力、提升工作效率。

居龙滩水文站是桃江流域控制站，自开展悬移质泥沙颗粒分析工作以来，从1984年到2020年已累积37年资料，且历年单断颗关系较为稳定。近年来，受水利工程新建、河道监管加强、人类活动等影响，水沙要素发生了较大的变化，因此本文通过对居龙滩水文站历年泥沙颗粒级配资料进行分析，探讨该站悬移质颗粒级配测验方式的改革，从而减轻该站测验工作量，为实现悬移质颗粒级配间测提供依据。

1 测站基本情况

1.1 测站概况

居龙滩水文站为大河控制站，属国家重要水文站，始建于1951年12月，1953年1月基本断面上迁8km，属鄱阳湖区赣江水系桃江控制站，流域面积7751km2。居龙滩水文站位于东经115°6′53.7″，北纬25°49′4.7″，距离河口15km，地处江西省赣州市赣县区大田乡夏湖村，现观测项目有降水、水位、流量、悬移质输沙率、悬移质颗粒级配。为流量测验精度一类站，悬移质泥沙测验精度二类站。

1.2 悬移质颗粒级配测验情况

居龙滩站单断颗测验取样位置在基本水尺断面，单颗取样位置为起点距70m处，采样方法为固定一线垂线混合；断颗采样一般在起点距 25～180m 范围内，断颗取样垂线均不少于10条，采样方法为全断面混合。2002年以前采用横式采样器，2002—2020年采用皮囊式采样器，泥沙处理方法采用过滤法。

1.3 主要水利工程情况

1.3.1 黄云水库

黄云水库位于桃江流域，坝址在全南县南迳镇黄云村，于1985年3月开工建设，1990年1月竣工。水库集水面积93.7km2，多年平均径流量为0.9020亿m3，是一座以发电为主，兼顾灌溉、养殖的中型调节水库。水库总库容为0.4650亿m3，装机容量为2500kW(2台×1250kW)，年发电量为820万kW·h，设计灌溉农田1.25万亩，坝址离居龙滩水文站河道210.0km。

1.3.2 虎头陂水库

虎头陂水库位于桃江流域，坝址在全南县金龙镇来龙村，于1989年7月开工建设，1994年1月竣工。水库集水面积408km2，多年平均径流量为3.9100亿m3，是一座以发电为主，兼顾灌溉的中型日调节水利枢纽。水库总库容为0.1083亿m3，装机容量为4000kW(2台×2000kW)，年发电量为1280万kW·h，设计灌溉农田0.10万亩，坝址离居龙滩水文站河道190.0km。

1.3.3 居龙滩水电站

居龙滩水电站位于桃江流域，坝址在赣县大田乡夏湖村，于2005年1月开工建设，2008年1月竣工。控制流域面积为7748km2，水库总库容为7.76万m3,装机容量为60000kW，坝址离居龙滩水文站河道1.5km，对本站影响较大。

2 分析依据及资料选用

2.1 分析依据

根据《河流悬移质泥沙测验规范》(GB/T 50159—2015)[3]8.1.4条和8.2.4条：二、三类站有5～10年以上资料证明，颗粒分析所包括的含沙量变幅占历年变幅的80%以上时，可按下列规定进行颗粒级配间测分析：ⓐ将历年断颗与相应单颗颗粒级配分析成果，按小于某粒径沙重百分数分成若干组，用各组平均值绘制历年综合单断颗关系线；ⓑ将各年单断颗关系线套绘于历年综合单断颗关系曲线图上，当各年关系线偏离综合关系线的最大值粗沙部分在±3%以内，细沙部分在±6%以内，且断颗多于或小于单颗一个粒径级的测次占总测次的30%以下时，可实行间测或停测。

2.2 资料选用

根据居龙滩站1958—2020年共63年断面含沙量资料，1984—2020年共37年系列泥沙颗粒分析资料对测验断面含沙量变化情况进行分析。颗粒分析资料中1984—2013年共30年资料系列采用粒径计法进行分析，从2014年1月起改用马尔文MS2000激光粒度分析仪进行分析。年平均含沙量变化趋势和年最大单位含沙量趋势情况见图1和图2。由图1、图2可知，含沙量从1996年以后有逐年减少的趋势，至2008年居龙滩水电站发电后断面含沙量显著减少并趋于稳定，1966年、1984年、1996年、2016年、2019年发生过较大洪水的年份单位含沙量偏大，其中1984—1996年桃江流域开采稀土情况较为严重，使年平均含沙量和单位含沙量均偏大，2016年、2019年考虑洪水漫坝、水电站排沙等因素使得含沙量偏大，故统计含沙量变幅时不予考虑。统计实测最大含沙量出现在2008年(2008年为样本年)，为0.760kg/m3，占含沙量稳定变幅比重的100%。

图1 年平均含沙量变化趋势

图2 年最大单位含沙量趋势

因此，本次分析选用资料系列较长中的2008—2013年共6年资料，样本年单断颗采样方法、分析方法一致。

3 分析计算

3.1 历年综合线法

a.将样本年断颗与相应单颗分析成果，按小于某粒径沙重百分数分成若干组计算平均值，用各组平均值绘制历年综合单断颗关系线，见表1、表2及图3。对绘制的关系曲线进行3种检验，检验结果为：符号检验1.03<1.15，合理；适线检验0.60<1.28，合理；偏离数值检验1.09<1.30，合理；标准差2.3%<9.0%，不确定度4.6%<18.0%，系统误差0，不超过±5%，符合《水文资料整编规范》(SL 247—2020)中的规定。

表1 各年分组粒径百分数平均值

表2 历年单断颗关系节点

图3 历年单断颗关系

b.在历年资料库中查验2008—2013年单断颗关系，关系曲线均为45°线，将各年单断颗关系线套绘于历年综合单断颗关系曲线计算偏离值，最大偏离值为1.4%，在允许偏离范围内，见图4。计算各年断颗多于或少于单颗一个粒径级测次占总测次的百分数，均为0<30%，见表3。

图4 2008—2013年与历年单断颗综合线

表3 断颗多于或少于单颗一个粒径级测次占比统计情况

3.2 资料分析结果

根据各年单颗和断颗建立的单断颗关系线，根据《水文资料整编规范》(SL 247—2020)[4]进行相关误差3项检验(符号检验、适线检验、偏离符号检验)，检验均为合格，关系曲线合理。通过分析可以看出，颗粒分析含沙量占总含沙量变幅的百分数大于80%，且断颗小于单颗一个粒径级的测次占总测次的百分数小于30%，各年单断颗关系曲线和历年综合关系曲线偏离最大值粗沙部分不超过±3%，细沙部分不超过±6%。资料选用合理、分析方法正确，符合《河流悬移质泥沙测验规范》(GB/T 50159—2015)8.1.4条和8.2.4条规定，可实行间测。另外，由于本次资料分析的最大含沙量在0.760kg/m3以下，因此当资料不满足使用要求时或单样含沙量超过0.760kg/m3时，应恢复测验。

4 结 语

随着经济社会的发展，水文测验工作也面临新的挑战，水利工程的兴建、人类活动的影响等使得水文要素发生了新的变化。同时，交通条件的改善、新设备新技术的应用也使水文测验方式逐步从原有的驻测过渡到巡测、间测，大大提高了工作效率。加强对现有水文资料的研究和分析，可掌握各水文要素的变化情况，摸清测站特性，对水文监测改革有着重要意义。因此，本文通过对居龙滩水文站多年悬移质颗粒级配资料进行分析，论证了单颗可代表断颗实行间测的方案可行，有利于减轻该站测验任务，提高监测效率，符合新时期水文发展的要求。