湖口水文站单样含沙量取样方案分析

谢雅蕾　柯莉莉　谢波

摘要：湖口水文站为鄱阳湖出口控制站，属国家级重要水文站，一类精度泥沙测验站。湖口水文站悬移质输沙率传统整编方法为断面平均含沙量过程线法，该方法要求测次较多。为了提高工作效率，通过分析确定单样含沙量取样垂线位置并对单样含沙量-断面平均含沙量关系进行定线检验等，改进了该站传统悬移质输沙率整编方法。结果表明：利用改进后的整编方法对悬移质输沙率进行整编的效果较好，满足现行水文整编规范要求。

关键词：单样含沙量;悬移质输沙率;断面平均含沙量;湖口水文站

中图法分类号：P333.4 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.006

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0038 - 06

0 引 言

单样含沙量测验是对河流中随水流运动泥沙数量和变化过程的直接观测，是水文测验的主要项目。目前，中国大多数江河的悬移质输沙资料都是通过单样含沙量-断面平均含沙量关系（简称“单断沙关系”）来进行推导转化的。即通过简便的单样含沙量测验方法以及实测断面输沙率测验求得的单断沙关系，将单样含沙量按当年的相关分析换算为断面平均含沙量。该方法的应用较为成熟，也相对简单易行。但单样含沙量的精度就代表了悬沙测验的精度，因此对单样含沙量取样位置有一定的要求。

目前，湖口水文站的悬移质输沙率整编方法采用断面平均含沙量过程线法。该整编方法按规范要求需要的悬沙测验测次较多，每月最少5次，年测次达到80次以上。因此本文利用已有资料对单样含沙量测验方法的可行性进行研究，同时根据测站特性，用多种组合取样方法进行分析以确定取样位置。旨在通过上述分析改进该站悬移质输沙率整编方法，降低生产成本，提高工作效益。

1 测站概况

1.1 湖口水文站

湖口水文站始建于1922年10月，地处江西省湖口县双钟镇，位于长江中游未端与鄱阳湖交汇处，是监测鄱阳湖出入水量的国家级重要水文站，也是国家一类精度流量和泥沙控制站。地理位置东经116°13′，北纬29°45′，控制流域面积162 225 km，紧邻长江，距长江口约840 km。

1.2 测验河段及断面

本文测验河段位于鄱阳湖水道最末端，测验断面离鄱阳湖出口约0.7 km，上游有赣江、抚河、信江、修水、饶河5条支流入汇。测验河段较顺直，为收缩河段，向上游湖面逐渐加宽。流速仪测流断面上游1 km处建有鄱阳湖大桥，上游约5 km处建有铜九铁路大桥;左岸有滩地，水位约9.00 m时滩地开始淹没，滩地露出时有水草生长;右岸于2001年建成防洪堤，有上、下石钟山分居断面上、下游，且下石钟山突出于河口;河床较稳定，左岸由细沙、淤泥组成，右岸由粗沙组成，倒灌或低水流速较大时略有冲淤，因距河口太近，受长江来水顶托倒灌时水流紊乱。测验河段见图1。

1.3 测验方式与垂线分布

湖口水文站水文测验方式为驻巡结合，流量测验方法为走航式ADCP，流量整编方法为连实测流量过程线法，悬移质输沙率整编方法为断面平均含沙量过程线法。

悬移质输沙率测验主要在洪水期布置测次，每次针对较大洪峰的测次不少于5次;平、枯水期时每月不少于5次;倒灌期加密测次。（湖口水文站水位级划分：高水位≥17.20 m，中水位13.30～17.20 m，低水位7.9～13.3 m，枯水位≤7.90 m。）

悬移质输沙测验方法分为选点法和常规测验方法。选点法为每条垂线按五点法取样，常规测验方法是在每条垂线的相对水深位置0.2，0.6，0.8处取样，且按2∶1∶1垂线混合法进行混合。测验断面与悬移质输沙垂线分布见图2。

1.4 多年平均含沙量分析

湖口水文站自1952年开展悬移质输沙率测验以来，一直采用全断面输沙测验，仅在1955年5月至1961年8月采用过单断沙关系测验。

1952～2020年湖口站多年平均含沙量為0.067 kg/m， 2016～2020年多年平均含沙量为0.035 kg/m，2016～2020年含沙量小于0.050 kg/m3的测次为52%以上，特别是近4 a高达74%以上，其中2020年达96%。

2 单样含沙量垂线代表性分析

2.1 泥沙测验资料选取

从历史资料上看，虽然湖口水文站泥沙特性受鄱阳湖来水来沙及长江水倒灌鄱阳湖时的来水来沙影响，但水文测验断面稳定，多年来冲淤变化不大，近些年含沙量在断面上的横向分布来看基本一致。因此本文选用2013～2020年643次悬移质输沙率资料，其中长江水倒灌鄱阳湖的悬移质输沙率资料32次（2017年倒灌时间为连续20 d）。悬移质输沙率测验时的水位为7.28～22.46 m，最小输沙率为-865 kg/s，最大输沙率为2 470 kg/s，最小含沙量为0.008 kg/m，最大含沙量为0.420 kg/m。

2.2 单样含沙量测验垂线位置分析

湖口水文站悬移质输沙率常规测验方法中，高、中水期测验为9条垂线，低水期和枯水期为6～8条垂线，倒灌期为9条垂线，几种测验方法中有4条垂线重合，它们起点距分别为750，910，990，1 150 m。

GB/T 50159-2015《河流悬移质泥沙测验规范》中规定：断面比较稳定，主流摆动不大的站点，应选择若干次能代表各级水位、各级含沙量的输沙率资料，绘制垂线平均含沙量与断面平均含沙量的比值横向分布图，在图上选择比值最为集中且等于1处，确定1～2条垂线，作为单样含沙量测验位置，由此建立单断沙关系曲线。

湖口水文站悬移质输沙率垂线的取样方法是：在垂线的相对水深位置0.2，0.6，0.8处取样，按2∶1∶1进行垂线混合，计算垂线平均含沙量。

現根据湖口水文站的断面分布和测站特性，拟用多种组合取样方法进行垂线平均含沙量与断面平均含沙量的比值统计，分别是单垂线、两条垂线和三条垂线，即是起点距750，910，990，1150 m;（750，910 m），（750，990 m），（750，1150 m），（750，910，1150 m）;（750，990，1150 m）和（910，990，1150 m）共10种组合方案。单垂线的单样含沙量即为垂线平均含沙量，多垂线的单样含沙量即为多垂线平均含沙量的算术平均值。当悬移质垂线含沙量与断面平均含沙量比值越接近1，表明精度越高。以上各方法计算出的悬移质垂线含沙量与断面平均含沙量比值出现次数统计见表1。

从表1中可以看出随垂线数增加，精度越高。单垂线集中在比例系数等于1处的不到10.0%，比例系数在0.900～1.100的频率最大为56.5%;两条垂线集中在比例系数等于1处的不到15.0%，比例系数在0.900～1.100的频率最大为73.7%;三条垂线组合中比例系数精度较高，其中起点距750，910，1150 m集中在比例系数等于1处的为18.2%，比例系数在0.900～1.100的频率有85.2%，最大比例系数为1.632，最小为0.769;起点距750，990，1150 m集中在比例系数等于1处的为17.3%，比例系数在0.900～1.100的频率有79.9%，最大比例系数为1.591，最小为0.533。起点距750，910，1150 m这个组合精度最佳，其次是起点距750，990，1150 m组合。

3 精度分析

3.1 单样含沙量-断面平均含沙量关系曲线精度分析

SL 247-2020《水文资料整编规范》中悬移质泥沙等关系曲线法定线精度指标规定：一类精度水文站单一线法定线精度指标为系统误差≤±2%，随机不确定度≤18%。符合检验、适线检验和偏离数值检验的显著水平分别采用0.25，0.05和0.10。

根据上述垂线分析结果，选用起点距750，910，1 150 m和起点距750，990，1 150 m两种取样方案，对2013～2020年的湖口水文站悬移质输沙率资料，利用南方片2.0版整汇编程序对两种取样方案分别定绘单断沙关系曲线，并对曲线关系进行检验。由于2017～2020年湖口水文站的含沙量小于0.050 kg/m的测次达74%以上，最小含沙量为0.008 kg/m，单断沙绝对误差仅0.002 kg/m，而相对误差达20%。因此在资料处理时，2018年和2020年中不大于0.010 kg/m的测次未参加检验[1]，其余各测点均参加了曲线关系检验。起点距750，910，1 150 m和起点距750，990，1 150 m两种取样方案的单断沙关系线均为接近45°的直线（图3～4）。对这些关系曲线进行检验，结果见表2。

从表2中可以看出，两种取样方案的单断沙关系系数均满足GB/T 50159-2015《河流悬移质泥沙测验规范》4.1.1中的要求（一类精度站为0.95～1.05之间）。但在起点距750，990，1 150 m的方法中，虽然三线检验合格，但有的年份随机不确定度超标准，而取样位置在起点距750，910，1 150 m的单断沙关系为最佳，各项检验指标均满足规范规定。

3.2 取样方案分析验证

用单断沙取样位置分析结果与2021年1～5月的悬移质输沙资料计算相应单样含沙量，并用南方片2.0整汇编程序进行定线和检验。其中符号检验指标u=0.00≤1.15（显著性水平a=0.25）合格，适线检验指标U=-1.80免检，偏离数值检验指标|t|=0.85≤1.67（显著性水平a=0.10）合格，系统误差1.3%，随机不确定度17.2%。单样含沙量与断面含沙量成果见表3，单断沙关系曲线见图5。从图5和检验结果中可看出，单断沙关系系数满足测验规范要求，三线检验也全部通过，系统误差和随机不确定度满足整编规范要求。

4 结 论

通过湖口水文站2013～2020单样含沙量-断面平均含沙量关系的分析和2021年资料的验证，得出主要的结论如下。

（1） 在湖口站测流断面起点距750，910，1 150 m的三线按三点法2∶1∶1垂线混合法取样，分开处理，算术平均法计算的含沙量代表性最好，可作为单样含沙量的取样位置。

（2） 因湖口站近年来含沙量小于0.050 kg/m3的测次达74%以上，且最小含沙量只有0.008 kg/m3，随机不确定度虽在允许范围内，但也偏大，这与含沙量小、相对误差大有关。建议在确定用单断沙关系进行整编时，可根据测站的实际情况确定单样含沙量测次布置。

参考文献：

[1] 李金宝， 刘睿， 刘玉平， 等. 八里桥水文站单样含沙量的取样位置分析[J]. 现代农业科技， 2015 （13）：248-249.

（编辑：江 文）

Analysis on measurement method of index sediment concentration at

Hukou Hydrological Station

XIE Yalei，KE Lili，XIE Bo

（Lower Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Jiujiang  332000，China）

Abstract：Hukou Hydrologic Station is an important control station of Poyang Lake ， and it is a national hydrologic station where sediment measurement accuracy is required to reach classification I. The compilation method of cross-section suspended sediment discharge adopted for Hukou Hydrological Station is traditional vertical average sediment concentration method， which requires many times of measurement. To improve work efficiency，we analyzed vertical line position of index sediment concentration， then verified the relationship between index sediment concentration and cross-section average sediment concentration.The results showed that the improved compilation method could meet the requirements of the current hydrologic code ，and was available for Hukou Hydrological Station.

Key words：index sediment concentration; suspended sediment discharge; cross-section average sediment concentration; Hukou Hydrologic Station