滁河汊河集闸水文站单断沙关系分析

李 杨

（滁州水文水资源局,安徽 滁州 239000）

泥沙资料是江河重要的基本水文资料之一,它在流域规划、生态环境保护、桥梁设计、闸坝设计、防洪调度、水利工程管理运行以及流域开展水土保持效益分析和植被侵蚀研究等工作中得到广泛应用。根据实测资料,分析某一垂线单样含沙量与断面平均含沙量的关系,确定单断沙关系系数,率定该站单断沙之间关系,为今后采用单断沙关系线法推求断沙提供可靠依据。

本文利用汊河集闸站2007年~2021 年共66 份悬移质输沙率实测资料,建立历年综合单断沙相关关系,并根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）[1],对关系线进行精度判定、符号检验、适线检验及偏离数值检验。

1 基本情况

1.1 测站基本情况

汊河集闸水文站位于安徽省滁州市来安县汊河镇,是滁河干流安徽出境总控制站,集水面积6104 km2,国家重要水文站,一类精度水文站。测验河段为人工开挖的河道,顺直长度1200 m,两岸均有堤防和滩地,主河槽宽约115 m,河床为粘土。测流断面上游685 m处有节制闸、船闸各一座（船闸改建中）,节制闸10孔,孔宽9 m,闸底高程3.0 m。测验断面下游95 m为G104 国道滁河大桥,断面下游5㎞处右岸有朱家山河与长江连通,10㎞处右岸有马汊河与长江连通,下游23.0 km处有滁河三汊湾闸。汊河集闸上游0.50 km处有清流河、来安河汇入,断面上游29.7 km处有襄河口闸站控制滁河上游来水量。为研究滁河水流特性和泥沙输移情况搜集水文资料,监测滁河出省境水质状况。

1.2 测验断面变化情况

根据2017年~2021 年实测资料分析,断面无明显冲淤变化,断面控制情况良好,能够满足水文测验要求,断面变化情况见图1。本站含沙量测验与流量测验[2]同时进行,依次在断面布设的各测沙垂线位置,含沙量代表垂线在起点距156 m处。

图1 汊河集闸站近年断面变化对比图

2 水文要素时空分布情况

2.1 降雨量时空分布

根据汊河集闸站2012 年~2021 年历年降雨量资料分析,该站多年平均降雨量为1153.7 mm,最大年降雨量1589.4 mm（2016年）,最小年降雨量668.0 mm（2019年）,降雨时空分布不均,多集中在6月~8 月,此时段为洪水多发时期。汊河集闸站历年降雨量年际分布见图2,年内分布见图3。

图2 汊河集闸站降水量年际变化分布图

图3 汊河集闸站年内分配图

2.2 泥沙时空分布

根据汊河集闸站2012年~2021 年系列资料统计,多年平均含沙量0.072 kg/m3,最大年均含沙量0.177 kg/m3（2018 年）,最小年均含沙量0.001 kg/m3（2019 年）,含沙量年际变化大,含沙量年际分配不均,多集中在汛期的6月~8月。输沙量年际、年内分配与含沙量相似,多年平均输沙量11.7 万t,最大年输沙量为32.6 万t,最小年输沙量为0.047万t,10月~次年5月期降水量小,流量小,水流挟沙能力弱,输沙量较小[3]。含沙量、输沙量年际分布趋势见图4、图5,年内分配见图6。

图4 汊河集闸站平均含沙量年际变化趋势图

图5 汊河集闸站输沙量年际变化趋势图

图6 汊河集闸站平均含沙量年内分配趋势图

3 单断沙关系分析

3.1 资料情况

本次分析选取汊河集闸站2007年~2021年66份实测输沙率资料,资料经水文资料整编,代表性好,能满足率定分析要求见表1。

表1 汊河集闸站实测输沙率资料

3.2 建立相关关系

3.2.1 确定单断沙关系线型式

根据表1实测输沙率资料分析,以实测单沙为纵坐标,实测断沙为横坐标,关系测点分布密集成带状,通过坐标（0,0）和测点点群中心,且有75%的以上高沙测点与相关曲线的偏离不超过±10%,低沙不超过±15%,满足单一曲线法定线要求见图7。

图7 汊河集闸站单断沙关系图

3.2.2 换算系数计算

根据表1资料,计算断沙CS断和单沙CS单换算系数K,K=CS断/CS单,采用算术平均法计算得综合换算系数K=0.9993。

4 关系曲线检验分析

4.1 关系曲线定线精度判定

根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）要求,稳定的悬移质单断沙关系曲线的标准差和随机不确定度。标准差是用来检验数据离散程度常用的一种量化形式,是检验精确度重要指标之一。一类精度站单一线法定线精度指标,随机不确定度及系统误差控制在18%±2%范围内。计算分析标准差对定线推流的精度评价和改进测验工作具有重要意义。

采用公式：

式中：n为测点总数；Cs断i为实测断沙；Cs断ci为查线断沙。

计算汊河集闸站2007年~2021年单断沙实测点的标准差为5.39%,置信水平95%的随机不确定度2Se为10.78%,偏差很小,符合精度要求。

4.2 符号检验

目的：检验单断沙关系曲线两侧的测点分布是否均衡,从而进行判定关系曲线是否合理。

检验方法：以所有样本测点的样本总量,分别统计测点偏离曲线的正、负号个数（偏离值为零者,作为正负号测点各半分配）,判定所定关系曲线是否合理[4]。

采用公式：

式中：为统计量；n为测点总数；k为正号或负号个数。

统计得出：n=66,k=34,计算统计量=0.12。根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）要求,显著性水平 采用0.25,临界值查表2得到对应临界值1-/2=1.15,当计算 ＜1-/2时,则认为合理,即接受检验。

表2 临界值1-/2与1-

4.3 适线检验

原理：进行适线检验时,应按测点单沙由低至高排列顺序,从第二点开始统计偏离正负符号变换,变换符号记1,否则记0。统计记“1”的次数,计算统计量 。

采用公式：

式中：为统计量；n为测点总数；k为变换符号次数,k＜0.5·（n-1）时作检验,否则不作此检验。

统计得出：n=66,k=28,计算统计量=0.99。根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）要求,显著性水平 采用0.05或0.10,临界值查表2允许值为1.64。当计算 ＜1-时,则认为合理,即通过检验。

4.4 偏离数值检验

目的：偏离数值检验是检查各测点偏离关系曲线的平均偏离值,用于验证该关系线是否合理。

采用公式：

式中：t为统计量；p为平均相对偏离值；Sp为p的标准差；n为测点总数；pi为测点与关系曲线的相对偏差值。

进行偏离数值检验时,应按式（1）、式（2）分别计算t值、Sp值,并将t值与用给定显著水平 查表3所得的1-值比较,当|t|＜1-时,则认为合理,即接受检验。

表3 临界值1-/2

计算得出：n=66,k=65,计算统计量t=0.00。根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）要求,显著性水平 采用0.10或0.20,临界值查表3 允许值为1.28,通过检验。

5 结语

本文分析出该站2007年~2021年平均单断沙换算系数k=0.9993,且河床性质、断面形状稳定,所以156 m处单沙的代表性较好,且满足一类站单断沙关系线的比例系数在0.95 ~1.05 之间的要求[5]。从单断沙关系曲线分析结果可以看出,单断沙关系的定线精度、随机不确定度、符号检验、适线检验及偏离数值检验均通过检验,符合规范要求。综上所述,汊河集闸站单断沙关系系数0.9993用于推求断沙。