受水利工程影響的宜昌站測驗方式優(yōu)化分析

葉德旭 伍 勇 王寶成 李紅衛(wèi)

(長江水利委員會長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌 443000)

1 概況

長江三峽水利工程的興建，改變了下游河道水流泥沙運動規(guī)律。地處葛洲壩下游的宜昌水文斷面全年水位變化頻繁，一定水位變幅內(nèi)流量測次大量增加;清水下泄引起河道懸移質(zhì)和推移質(zhì)輸沙率減少，本斷面單斷沙相對誤差增大。要解決上述問題，首先需了解測驗河段和具體影響因素情況。

1.1 測驗河段特性

宜昌站測驗河段位于葛洲壩下游約6km的彎道下首，測驗河段長約3km。右岸為山區(qū)與平原過渡地段，左岸為宜昌市城區(qū)。河段兩岸較為穩(wěn)定，近幾十年來河勢無較大變化，斷面下游3km有胭脂壩江心洲，長約5km，當水位小于43 m(吳淞基面，下同)左右時，右支汊斷流，長江全部從左汊主槽下泄。下游20km有虎牙灘，江面寬從1200 m縮窄為900 m，之后在下游38km處有支流清江入?yún)R。

宜昌站測驗斷面形態(tài)呈“U”型。左岸較平坦，為礫卵石夾沙河床，是沖淤變化的主要部位，低水時約有100 m的邊灘裸露，高程42 m以上為混凝土護岸;右岸系基巖，地形陡峭。此外，斷面深槽偏右。

宜昌河段水沙主要來源是金沙江下游、岷江下游、大渡河中游、嘉陵江下游及其支流西漢水和白龍江，另有少量水沙來源于三峽地區(qū)以下區(qū)間。

1.2 影響水位流量關系因素

宜昌站水位流量關系受河道地形條件和水力因素變化等綜合因素影響。即中、高水受洪水漲落、斷面沖淤影響使水位流量關系呈逆時針繩套曲線變化，受下游支流清江來水頂托、三峽和葛洲壩水庫綜合調(diào)度影響，關系曲線局部變形或扭曲;中低水期(1 a中水位低于43.50 m約200 d)水位變幅不大(從2008年前約 5.2 m到 2011 年約 4.3 m)，該水位級占全年總測次從2008年前的約30%增加到2011年的約64%，水位流量關系為綜合單一線性，與多年低水單一線比較，存在逐漸右移，同流量級下水位呈下降趨勢，即枯期測驗河段河床下切與低水水位下降一致，一般時段水量變化在10%以內(nèi)，對年徑流量影響較小。

1.3 影響單樣含沙量和輸沙率因素

在宜昌站懸移質(zhì)泥沙測驗中，通過建立單斷沙關系，推求出含沙量變化過程及各特征值。宜昌斷面單沙取樣方法為起點距310、550、700 m(相對位置0.2、0.6、0.8)處按2∶1∶1 垂線混合，再通過流量加權(quán)計算出單樣含沙量。

宜昌站2004～2011年實測單沙大于0.1 kg/m3的測次逐年減少，從占總測次的46.4%到2011年僅為0.6%，枯季含沙量小于0.01 kg/m3的測次比例較大，但低沙在年輸沙量中所占比例較小，含沙量過程變化也不明顯，而與其配套測驗的斷沙相對誤差卻可能較大，有時甚至達到50%以上，影響單斷沙關系檢驗結(jié)果。

2 流量和懸移質(zhì)輸沙率測驗方式優(yōu)化

2.1 流 量

多年來，宜昌站采用水位流量連時序法和單一線法進行流量整編［1］，流量測次布置總體可按單一曲線原則(用于中低水位期)，臨時曲線原則(用于受水利工程影響較大的時期)、繩套曲線原則(用于中高水期)。通過對實測流量資料進行分析和誤差統(tǒng)計，可采用多途徑進行測驗方式優(yōu)化和測次精簡。

水位低于43.50 m左右時，水位流量關系呈多條單一線性，當水位小于43.50 m，按水位級布置測次，即在 38.07 m(歷史最低水位)～43.50 m之間，按0.5 m左右布置一個測次(近幾年因上游水庫綜合調(diào)度，年最低水位基本穩(wěn)定在39.00 m左右)，年最低水位0.5 m變幅內(nèi)加密2～3個測點，以檢驗低水期水位流量關系是否出現(xiàn)偏移變化。

在低枯水期，一般采用流速儀法和ADCP走航式測驗方式進行流量測驗，當有輸沙配套，一般采用流速儀法;若僅施測流量，則一般采用ADCP即可。

當上游水利樞紐突然出現(xiàn)開閘放水、關閘蓄水、沖沙以及電站電力調(diào)峰等情況時，斷面流量影響明顯。當該現(xiàn)象出現(xiàn)在非汛期、水位不高以及河槽蓄水變化較小時，仍按單一曲線原則布置測次;但如果影響較大(水位變幅超過1.5 m)，則按臨時曲線原則采用流量過程法布置測次。

當上游水利工程調(diào)度造成水流突變時，一般均采用ADCP進行測驗，單次流量往返次數(shù)視水流緩急而定，一般為兩個往返，特殊情況可采用一個往返。

水位超過43.50 m時，需按繩套線型布置進行流量測次。一般洪水過程在起漲、洪峰轉(zhuǎn)折變化處各布置一個測點，較大洪峰(水位大于48.50 m，水位變幅大于4.5 m)漲水面和落水面均應布置不少于3個流量測點，以控制洪水的漲落變化過程。

在中高水期間，一般采用流速儀法和ADCP走航式(流量小于40000 m3/s采用)，水沙配套測驗時以流速儀測量為主，單一流量測驗以ADCP為主。

2.2 懸移質(zhì)輸沙率

宜昌站輸沙率整編采用單斷沙關系法和斷沙過程線法［1］，本站懸移質(zhì)輸沙率和單沙測次在基于控制總沙量的基礎上，按單斷沙沙關系法和斷沙過程線法兩個原則進行測驗方法和測次優(yōu)化。

單沙測次優(yōu)化應掌握3個原則:①以洪水期為重點;②受水利工程影響，按斷沙過程線法布置測次;③枯水期按等時距布置測次原則，重點掌握從渾變清和清變渾時期含沙量變化過程。

每年年初和年底應布置單沙測次。根據(jù)宜昌站2004～2011年中低水位與單樣含沙量的關系，以確定枯水期按等時距布置單樣含沙量測次。

水位在43.00 m以下，單沙每月采樣1～2次;水位在43.00～45.00 m之間，每周采樣1次，若發(fā)現(xiàn)沙樣沙重變化明顯，則可適當加測;水位在45.00～48.50 m之間單沙每2天左右采樣1次，當發(fā)現(xiàn)本次水樣與上次水樣含沙量明顯變化，則改為每天至少一次單沙;水位大于48.50 m單沙每天最少采樣兩次，當發(fā)現(xiàn)與上次水樣比較，含沙量明顯變化(前后兩次含沙量變幅值大于50%)，應及時增加單沙測次，使單沙真實反映含沙量變化過程［2］。

在進行斷沙測次布置時，一般采用單斷沙關系線法和過程線法［3］。宜昌站單斷沙關系歷年穩(wěn)定，通過近10 a斷沙測次分析，考慮宜昌站控制的重要性，斷沙年測次控制在30次左右為宜。

水位43.00 m以下每年只需進行1～2次斷沙，驗證低沙階段單斷沙關系。水位高于43.00 m或沙量發(fā)生明顯變化，應以控制含沙量級為原則(沙量間間距不大于10%)，特別要注意高沙采集(近幾年資料分析年最大沙峰出現(xiàn)在年最大洪水后約3 d)。汛期每周約1次(流量、沙推等測次配套)，其間含沙量變化較大時及時增加測次;當水利工程調(diào)度而引起含沙量急劇變化時，按斷沙過程線法布置測次，一般斷沙次數(shù)為日不少于3次。

懸移質(zhì)含沙量取樣主要采用橫式采樣器，單樣含沙量采用3線3點(即起點距310、550、700 m)，按照2∶1∶1方式垂線混合，特殊情況下可采用LISST或濁度儀進行(一般在常規(guī)單沙垂線測量);斷沙一般采用6線3點法全斷面混合，水沙配套測驗可采用11線3點法垂線混合。

3 流量和懸移質(zhì)輸沙率測次優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 流 量

根據(jù)流量優(yōu)化原則，對2005～2007年流量測次進行優(yōu)化，并重新建立水位流量關系，進行誤差檢驗及資料整編［1］，見表 1 和表2。

表12005～2007年流量測次優(yōu)化前后Z－Q關系誤差比較

表22005～2007年流量測次優(yōu)化前后成果比較

流量測次減少幅度達21% ～30%，但對主要洪峰過程的洪峰流量及特征值流量影響較小，優(yōu)化前后年總徑流量相差小于0.1%，流量過程與水位過程吻合，說明測次優(yōu)化對水位流量關系定線精度影響較小(見圖1)。

圖12005～2007年流量測次優(yōu)化前后流量過程

三峽工程蓄水后，因綜合調(diào)度，中低水出現(xiàn)了臨時曲線，增加了流量測次布置難度。

2005年后相繼出現(xiàn)了不少于10次的水流突變過程，從趨勢看，突變次數(shù)逐漸減少，水位變率有一定的增大，突變時間逐漸縮短并趨于穩(wěn)定。反映在水位流量關系上，當水位變化在2m以內(nèi)時，仍按綜合單一線布置流量測次(流量偏移較大，則采用臨時曲線，若該時段實測流量充分，臨時曲線能較好地反映水流突變過程，否則任意性較大，但時段水量變化較小，占月水量的 0.2%以內(nèi))，當變幅超過2m時，按繩套曲線布置流量測次［4］。

低水變化受上游水利工程調(diào)度影響頻繁，掌握流量測次間距難度較大，因為枯水時常與低水膠合，因此枯水流量測驗，其水位級原則上按0.2 m左右(要求低水部分外延幅度在2%以內(nèi))控制。

宜昌站每年低水單一線逐漸右移，因此汛前、汛后低水流量測次應分別安排，不予綜合考慮。

3.2 懸移質(zhì)輸沙率

根據(jù)懸移質(zhì)輸沙率優(yōu)化原則，對2005～2007年斷沙和單沙測次進行優(yōu)化，并用優(yōu)化后的測次再次建立單斷沙關系，進行曲線檢驗，推求出年懸移質(zhì)輸沙量［1］，見表 3 和表4。

表32005～2007年單斷沙測次優(yōu)化前后單斷關系誤差比較

表42005～2011年單斷沙測次優(yōu)化前后成果比較

單沙測次優(yōu)化幅度較大，特別是中低沙測次優(yōu)化較多。懸移質(zhì)輸沙率測次優(yōu)化相對較少，原因是斷沙主要控制沙量級，測次只驗證單斷沙關系，相對于單沙測次少很多。

測次優(yōu)化前后平均輸沙率和平均含沙量基本沒有變化，最大和最小斷面平均含沙量變化較小，各年懸移質(zhì)輸沙量變化在0.8%以內(nèi)，含沙量過程吻合較好，達到了全年控制沙量和中、高沙控制過程的目的。

宜昌站多年單斷沙關系系數(shù)基本變化不大(0.997～1.019)。當全年含沙量較小或外業(yè)測次不夠確定關系系數(shù)時，為減少不必要的中低沙量測次，可考慮采用2004～2011年實測輸沙資料綜合定線(多年單斷沙關系系數(shù)為1.000)，用該系數(shù)對上述各年進行資料整編，其結(jié)果基本沒有變化，各特征值誤差接近0，因此當宜昌站斷面穩(wěn)定，無特殊沙情下，利用歷年單斷沙綜合關系系數(shù)整編，是一種既經(jīng)濟又有代表性的測驗方式［2］。

4 推移質(zhì)測驗方式和測次優(yōu)化

4.1 沙質(zhì)推移質(zhì)

宜昌站沙質(zhì)推移質(zhì)測驗主要考慮滿足推求年輸沙量和各種特征值的要求［4］，也是測驗和測次優(yōu)化的基本原則。三峽工程運行后，推移質(zhì)下泄能力和產(chǎn)沙原動力削弱，清水下泄明顯增多，汛期約占全年沙量的94.7%，與三峽蓄水前比較，年輸沙量減少了約77.5%，主要推移量由原來6～9月變?yōu)?～9月，CV(離差系數(shù))值增大。

考慮到沙推測次主要布置在汛期，特別是與懸顆、床沙配套測驗，非汛期因沙量較小，可在汛前和汛后各施測一次，以便了解低沙時期河底走沙情況。

表5為2005～2007年沙質(zhì)推移質(zhì)測次優(yōu)化及整編情況。

利用沙推測驗方式和測次優(yōu)化原則進行方法調(diào)整和測次精簡，成果變化較小。但需指出，低沙時期的測點對建立沙推輸沙率Qb－Q(相應流量)關系起到了較為重要的作用，確定了Qb－Q關系的起點和關系線的走向，否則將會使Qb－Q關系線平坦，造成沙推年輸沙量呈幾何級數(shù)增加。因此，1 a中較好的施測1～2次低沙測點十分必要。

表52005～2007年沙質(zhì)推移質(zhì)測次優(yōu)化及整編

表62004～2007年卵石推移質(zhì)優(yōu)化后整編統(tǒng)計

近幾年資料表明，汛初第一場洪水易導致沙推量相對較大，之后逐漸減小，且有量測次也較少，因而沙推應把握好第一場洪水的測驗精度，盡可能注意靠近兩岸垂線的推移質(zhì)變化，同時應結(jié)合實測資料分析和摸索新特性下測驗和整編方法。

4.2 卵石推移質(zhì)

受上游水利工程興建及運行影響，卵推輸沙量一直呈不斷遞減趨勢，根據(jù)資料統(tǒng)計，2004～2007年卵推量遞減幅度約93.2%，2010～2011年推移量為0。年內(nèi)變化由主汛期6～9月逐漸趨于0。

目前卵推測驗主要按照過程線法布置測次［4］。近幾年卵推測次一般約30次，真正實測有量的測次較少，施測卵推起推量和結(jié)束量的測次過多。部分測次在實測卵推輸沙量為0時，其相應流量從25000 m3/s逐步靠近30000 m3/s，說明三峽工程的興建和運行對卵推的起動流量有一定影響。

卵推測驗方式和測次優(yōu)化原則如下:①洪水開始和結(jié)束時，流量小于30000 m3/s各施測1次卵推，以確定卵推量的臨界點;② 洪水過程中，當流量小于30000 m3/s只施測1次臨界點;③卵推輸沙率小于0.5 kg/s時，每周1次，保證一次沙峰過程不少于3次。

表6為2004～2007年卵石推移質(zhì)優(yōu)化后整編統(tǒng)計情況。

測次減少幅度較大，幾乎所有優(yōu)化測次都在卵推運動開始前后。計算2004～2007年卵推量比優(yōu)化前減少約±1.0%以內(nèi)，說明有推移量期間現(xiàn)有測次客觀反映了卵推輸沙率的變化過程，卵推測次優(yōu)化到20次左右較為適合。

5 結(jié)論

宜昌站利用多年實測資料，根據(jù)現(xiàn)有水沙特性，確定對流量、懸沙、推移質(zhì)測驗方式優(yōu)化原則，對各項目測驗方法進行優(yōu)化和測次精簡，測次精簡后通過整編，與優(yōu)化前的整編成果比較結(jié)果較好，滿足相關規(guī)范要求。

測驗方式優(yōu)化和測次優(yōu)化旨在滿足水文測驗和整編規(guī)范要求前提下，科學合理地布置測次，控制流量、泥沙的變化過程，節(jié)省測驗成本。改變方式和優(yōu)化測次后，水情監(jiān)測顯得尤為重要，同時盡可能引進在線監(jiān)測儀器設備，隨時掌握水沙變化情況。

測驗方式優(yōu)化分析是在宜昌測流斷面較為穩(wěn)定的情況下進行的，一旦本河段和本斷面水沙特性發(fā)生改變，原有的分析工作和測驗方法都應及時進行調(diào)整。

各測驗項目的測次優(yōu)化是基于單測次普遍較高的測驗精度，且能滿足整編要求的前提下進行的，因此合理安排測驗時機，提高單測次質(zhì)量，減少測驗誤差非常必要。

［1］ 中華人民共和國水利部.SL247－1999水文資料整編規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，1999.

［2］ 嚴順義.水文測驗學［M］.北京:中國水利水電出版社，1984.

［3］ 中華人民共和國水利部.GB50159－92河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，1992.

［4］ 中華人民共和國水利部.GB50179－93河流流量測驗規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，1994.

［5］ 中華人民共和國水利部.SL 43－92河流推移質(zhì)泥沙及床沙測驗規(guī)程［S］.北京:中國水利水電出版社，1994.