彰武水文站測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)分析探討

王晶娥

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

柳河屬于遼寧省典型的多沙河流，河流實(shí)測(cè)最大含沙量為1580kg/m3，素有“第二黃河”之稱[1]。彰武水文站為柳河中游主要控制站點(diǎn)，為準(zhǔn)確把握含沙量的變化過(guò)程，需要對(duì)其含沙量的變化進(jìn)行準(zhǔn)確把控[2]。按照河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，當(dāng)河面寬度>100m需要設(shè)置15-30條測(cè)沙垂線[3]。由于彰武水文站河面寬度>100m，傳統(tǒng)含沙量測(cè)驗(yàn)時(shí)一般需要設(shè)置15條測(cè)沙垂線，這樣使得水文站含沙量測(cè)驗(yàn)的任務(wù)較重，且水文站泥沙測(cè)驗(yàn)精度為二類(lèi)，為保障泥沙測(cè)驗(yàn)的精度，彰武水文站一次泥沙測(cè)驗(yàn)需要耗費(fèi)人力和物力均較大[4]。近年來(lái)，為提高泥沙測(cè)驗(yàn)效率，降低水文工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，許多流域水文測(cè)站均開(kāi)展過(guò)測(cè)沙垂線的精簡(jiǎn)分析。通過(guò)對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)分析精簡(jiǎn)組合后的測(cè)沙垂線方式也可滿足河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。為此文章以彰武水文站為具體實(shí)例，通過(guò)比測(cè)試驗(yàn)的方式，探討測(cè)沙垂線組合后的泥沙測(cè)驗(yàn)精度。研究成果對(duì)于阜新地區(qū)含沙量測(cè)驗(yàn)方式創(chuàng)新具有參考價(jià)值。

1 測(cè)站概況

彰武水文站地理位置為E122°30′32″，N42°21′54″。測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約2000m，河心有沙灘，枯水形成分流，流心擺動(dòng)不定，洪水時(shí)比降大、淤柴多、含沙量大，最大河寬443m。基本水尺斷面上游430m處有建站前修建的鐵路橋一座。兩岸土堤，河床為細(xì)沙組成，洪水時(shí)漲沖落淤。河床變化較大。流量測(cè)驗(yàn)精度為二類(lèi)，泥沙測(cè)驗(yàn)精度為二類(lèi)。彰武水文站多年斷面平均含沙量為13.6kg/m3，歷年斷面最大含沙量1969年266kg/m3。2019年最大斷面平均含沙量為19.5kg/m3，最小斷面平均含沙量為0kg/m3，本年平均含沙量為3.31kg/m3。

2 精度評(píng)價(jià)方法

2.1 精簡(jiǎn)方法

測(cè)沙垂線的精簡(jiǎn)方法主要是通過(guò)測(cè)沙垂線組合的方式，建立不同垂線精簡(jiǎn)組合下的含沙量相關(guān)方程，在相關(guān)方程檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出最優(yōu)的測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合方式，并采用傳統(tǒng)測(cè)沙垂線布設(shè)方式下測(cè)定的含沙量進(jìn)行誤差對(duì)比，分析精簡(jiǎn)后的含沙量測(cè)驗(yàn)精度是否滿足河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。

2.2 精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)比觀測(cè)主要是分析精簡(jiǎn)組合方式下的含沙量和傳統(tǒng)方式下觀測(cè)的斷面實(shí)測(cè)含沙量之間精度，主要采用系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度以及標(biāo)準(zhǔn)差三個(gè)指標(biāo)作為比測(cè)試驗(yàn)的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，各指標(biāo)計(jì)算方程分別為：

1)系統(tǒng)誤差：

△N=∑[(Csi-Csci)/Csi]/(n-2)

(1)

2)標(biāo)準(zhǔn)差：

(2)

3)隨機(jī)不確定度：

(3)

(4)

3 精簡(jiǎn)分析結(jié)果

3.1 測(cè)沙垂線布置

在彰武水文站水文站測(cè)驗(yàn)斷面上、中、下各布設(shè)3個(gè)觀測(cè)斷面，各觀測(cè)斷面起點(diǎn)距見(jiàn)表1，并在各觀測(cè)斷面同一位置布設(shè)測(cè)沙垂線，測(cè)沙垂線的具體位置見(jiàn)表2。

表1 對(duì)比觀測(cè)斷面起點(diǎn)距范圍

表2 測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合分布情況

3.2 測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合方式分析

對(duì)不同測(cè)沙垂線的精簡(jiǎn)組合方式下的含沙量進(jìn)行率定分析，分析精簡(jiǎn)前后的含沙量測(cè)驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)，分析結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合后的相關(guān)系數(shù)分析

從表3測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合后的含沙量以及傳統(tǒng)布設(shè)方式推求的含沙量相關(guān)方程可看出，測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)后的含沙量和傳統(tǒng)布設(shè)方式下的含沙量總體為一次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.47-0.67之間，具有較好的相關(guān)性，從測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合中選中相關(guān)性最好的測(cè)沙垂線組合作為精簡(jiǎn)最優(yōu)方案，從分析結(jié)果可看出，S2、S4、S6、S8垂線組合下其測(cè)定的含沙量和傳統(tǒng)布設(shè)方式下的含沙量之間的相關(guān)系數(shù)均在0.6以上，因此起點(diǎn)距分別為50m、85m、140m以及180m作為測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合布設(shè)4條測(cè)沙垂線可較好的滿足彰武水文站斷面懸移質(zhì)泥沙的測(cè)驗(yàn)要求[·-7]。

3.3 精簡(jiǎn)后測(cè)驗(yàn)精度分析

在S2、S4、S6、S8測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合方式下，進(jìn)行7組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，結(jié)合前面所述的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)后推求的含沙量精度進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定結(jié)果如表4所示。

表4 彰武水文站測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合下含沙量比測(cè)精度分析結(jié)果

從7組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)方式下，采用S2、S4、S6、S8的4條測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合方式下，各精簡(jiǎn)組合下的隨機(jī)不確定度總體可在2.0范圍內(nèi)，滿足河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范要求的比測(cè)試驗(yàn)隨機(jī)不確定度在2.5范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)要求。此外對(duì)各組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，隨機(jī)不確定度主要是表征分析樣本是否具有一致性，而標(biāo)準(zhǔn)差是判定含沙量測(cè)驗(yàn)精度的重要誤差指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)差越大，表明樣本序列不具有同步性[〈-10]。從分析結(jié)果可看出，7組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)下，測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合方式下其標(biāo)準(zhǔn)差總體可在±20%范圍，按照河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范要求二類(lèi)水文站泥沙測(cè)驗(yàn)精度，其對(duì)比觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差需要在±20%誤差范圍內(nèi)，因此彰武水文站測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)方式下的含沙量對(duì)比觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差范圍滿足河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范要求。在標(biāo)準(zhǔn)差分析基礎(chǔ)上，對(duì)7組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)方式下的系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，系統(tǒng)誤差主要表示測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合方式下的含沙量和傳統(tǒng)布設(shè)方式下含沙量之間是否存在系統(tǒng)偏差，從7組對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)方式下的系統(tǒng)誤差可看出，各組試驗(yàn)方式下測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合方式下的系統(tǒng)誤差在±20%內(nèi)變化，按照河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范要求二類(lèi)水文站泥沙測(cè)驗(yàn)精度要求對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)誤差應(yīng)控制在±25%內(nèi)，因此可滿足河道泥沙懸移質(zhì)規(guī)范的系統(tǒng)誤差要求。綜合隨機(jī)不確定度、標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差的對(duì)比觀測(cè)分析，采用S2、S4、S6、S8的4條測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合方式下可滿足彰武水文站的含沙量測(cè)驗(yàn)要求。

4 結(jié) 論

1)起點(diǎn)距分別為50m、85m、140m以及180m作為測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)組合布設(shè)4條測(cè)沙垂線可較好的滿足彰武水文站斷面懸移質(zhì)泥沙的測(cè)驗(yàn)要求，建議在高洪水含水量應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，為提高含沙量測(cè)驗(yàn)的時(shí)效性，可以采用。

2)測(cè)沙垂線精簡(jiǎn)方式對(duì)于斷面沖淤變化較小的河流較為適用，對(duì)于斷面沖淤變化較大的河流尤其是在汛期洪水期，還需要加密測(cè)沙垂線觀測(cè)的數(shù)目，從而提高含沙量測(cè)驗(yàn)的精度，尤其是控制沙峰的變化。