新疆喀什地区水文站测沙垂线精简分析

丁 胜

(新疆喀什水文勘测局,新疆 喀什 844000)

喀什地区河流含沙量相对较高,叶尔羌河年平均输沙量在21.8万t,汛期受暴雨洪水影响,河道输沙量增大,使得河流水沙测验频次增高,按照《河流悬移质泥沙测验规范》GB 50159—92测沙精度要求,在河面宽度高于50m的断面需要布设15条以上的测沙垂线[1]。当前,随着水文现代化的快速发展,河道水文测验的手段不断得到提升,测验断面水位已基本实现自动观测,流量观测也从传统缆道测流方式逐步转变为ADCP测流方式,流量测验时效性得到不同程度的提升,但在断面含沙量测验时,还主要通过布设测沙垂线,来推求断面平均含沙量,虽然近些年来,河道自动测沙研究取得一定成果,但是目前还处于试验阶段,很难短时间内进行推广和应用[2-4]。目前,国内对于河道测沙效率提升主要是通过对其测沙垂线进行精简组合,通过国内一些实例研究表明,通过分析测沙垂线精简组合,可以对传统测沙垂线进行精简,从而提高泥沙测验效率。为提高喀什地区泥沙测验的效率,以库鲁克栏杆水文站为具体实例,对其不同测沙垂线精简组合下的误差进行比测分析。研究成果对于喀什地区水文站测沙效率提升具有参考价值。

1 研究方法

1.1 测沙垂线精简

测沙垂线精简主要方式为对测沙垂线进行组合分析,建立各精简垂线方案下的回归方程,通过对回归方程进行相关性分析,确定最优的测沙垂线组合方式。在确定最优测沙垂线精简组合方式下采用人工同步观测方式对测沙精简组合方式下的误差精度进行检验,是否满足《河流悬移质泥沙测验规范》GB 50159—92测沙精度要求[5]。

1.2 误差分析指标

系统误差、随机不确定度及标准值是断面测沙垂线精简组合方式下误差检验指标,其中系统误差△N计算方程为:

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

标准差Se对于测沙垂线精简后的计算方程为:

(2)

测沙垂线精简后其随机不确定度计算方程为:

(3)

(4)

式中:Csi为含沙量在精简测沙垂线后的测验值,g/m3;Csci为为含沙量在精简测沙垂线后的测验值,g/m3;n为测沙垂线精简后布设的数量,条;X＇cs为随机不确定度在95%置信水平下的检验值;Xcs为为随机不确定度在75%置信水平下的检验值。

2 实例分析

2.1 站点概况

以分别以库鲁克栏杆和卡群站水文站为具体实例,库鲁克栏杆和卡群站水文站为叶尔羌河干流主要控制水文站,库鲁克栏杆水文站位于叶尔羌河干流主上游区域,测验断面以上汇水面积为32880km2。卡群水文站位于叶尔羌河干流出山口,测验断面以上汇水面积为50248km2。叶尔羌河干流主要控制水文站测验断面均较为顺直,测验河段断面在150～200m之间,各站年含沙量均值在3.48～4.75kg/m3之间,各站均采用传统测沙方式进行断面含沙量的测定,按照《河流悬移质泥沙测验规范》GB 50159—92测沙规范要求,布设15条以上测沙垂线,通过测定各测沙垂线的含沙量,来推求断面平均含沙量。

2.2 测沙垂线布设

库鲁克栏杆和卡群站水文站在测验断面即中弘断面上游、中游、下游按照不同起点距分别布设测沙垂线,其测沙断面及库鲁克栏杆和卡群站水文站测沙垂线布设断面位置如表1、表2及表3所示。

表1 测沙垂线比测布设位置

表2 库鲁克栏杆测沙垂线分布

表3 卡群站测沙垂线分布

*S表示测沙垂线编号

2.3 测沙垂线精简组合方式

在库鲁克栏杆和卡群站水文站测沙垂线分析的基础上,分别对不同测沙垂线精简组合方式下的回归方程进行分析,其中Y表示为断面平均含沙量,X表示为单条测沙垂线测定的含沙量,库鲁克栏杆和卡群站水文站不同测沙垂线组合方式下的回归方程和其相关系数如表4和表5所示。

表4 库鲁克栏杆水文站测沙垂线精简组合下断面含沙量和单沙回归分析结果

表5 卡群水文站测沙垂线精简组合下断面含沙量和单沙回归分析结果

从库鲁克栏杆水文站测沙垂线精简组合下断面含沙量和单沙回归分析结果,测沙垂线越精简其回归方程的回归系数越低,当测沙垂线精简组合达到6条以上后,其测沙垂线精简组合下的断面含沙量和单断面含沙量之间的回归系数达到0.6以上,满足河流悬移质泥沙测验规范》GB50159—92误差允许范围要求,这主要是因为断面含沙量测沙垂线越少,其对断面含沙量的代表性越低,因此当其测沙垂线精简组合低于6条时,其测沙垂线精简组合下断面含沙量和单沙回归系数低于0.6。从卡群水文站测沙垂线精简组合下断面含沙量和单沙回归分析结果可看出,和库鲁克栏杆水文站较为一致,当测沙垂线精简组合为6条后其测沙垂线测定的断面含沙量和单沙之间的回归系数达到0.6以上,满足含沙量测验规范精度要求。这主要是因为叶尔羌河从上游到下游其含沙量空间分布差异性相对较小,使得其上游水文站和下游水文站测沙垂线精简组合下的条数具有相似性[6-8]。

2.4 测沙垂线精简前后精度检验

在在库鲁克栏杆和卡群站水文站测沙垂线精简回归分析基础上,按照河流悬移质泥沙测验规范》GB50159—92要求,对不同测沙垂线精简组合方式下的随机不确定度、标准差、系统误差进行精度检验,各站检验结果如表6和表7所示。

表6 库鲁克栏杆水文站测沙垂线精简组合下精度检验结果

表7 卡群水文站测沙垂线精简组合下精度检验结果

从库鲁克栏杆水文站测沙垂线精简组合下精度检验结果可看出,在2～5条测沙垂线精简组合下其随机确定度高于5.0,标准差也均在±10%以上,系统误差在±20%以上,均未能满足河流悬移质泥沙测验规范》GB50159—92要求,此外库鲁克栏杆水文站2～5条测沙垂线精简组合进行置信水平检验,均未能通过75%的置信度检验,当测沙垂线精简组合在6条以上后,其各项误差检验指标均下降较为明显,其中随机不确定度均低于5.0,标准差和系统误差也均在±10%以内,且均能通过90%的置信度检验。相比于库鲁克栏杆水文站,卡群水文站各项检验指标相对较高,但和库鲁克栏杆水文站具有一致性,当测沙垂线精简组合为6条后,其均可满足满足河流悬移质泥沙测验规范》GB50159—92误差允许要求,且各测沙垂线精简组合下均能通过90%的置信度检验。通过对库鲁克栏杆水文站和卡群水文站进行测沙垂线精简组合分析,对于喀什地区水文站而言,当其含沙量低于0.5kg/m3后,采用6-10条测沙垂线进行精简组合后均可满足《河流悬移质泥沙测验规范》GB50159—92精度要求。

3 结 语

1)通过测沙垂线精简组合分析,可以对水文站测沙垂线精简组合方式进行优选,对于喀什地区而言,当其测沙垂线精简组合方式为6条时,即可满足《河流悬移质泥沙测验规范》GB50159—92精度要求,随着测沙垂线精简组合条数增加,其误差逐步降低。

2)测沙垂线精简组合方式适合于中低含沙量的河流,对于汛期河流含沙量较高时,还应及时恢复测沙垂线条数,以保证整个沙峰过程的测定。

3)文章对测沙垂线优化组合方式未进行探索,在后续研究中应结合工作实际探索水文站测沙垂向的最优组合方式。