山区性小河流泥沙取样位置分1.doc

山区河流泥沙取样位置分析昭通水文分局 钱永书提要：泥沙测验是水文测验项目中的一个基本项目，泥沙资料是水利工程设计中不可或缺的一项重要水文资料，山区性河流泥沙资料严重短缺是影响我市水利工程设计的重要因素之一。本文通过对跳石站4年52次输沙对比观测资料进行分析，为山区性河流收集泥沙资料寻求一种可靠、便捷的方法。关键词：山区河流 泥沙 取样位置 分析1. 概述由于采样设备的局限，我市现有基本水文站网开展泥沙测验项目的测站，控制面积均在2000平方公里以上，小流域泥沙资料严重短缺，而我市水利工程建设其流域控制面积大多在几平方公里至几十平方公里之间，最大的渔洞水库也仅数百平方公里，控制面积的悬殊，致使泥沙资料很难满足工程设计需要。1994年由渔洞水库工程管理局出资在水库上游跳石水文站开展泥沙项目研究，根据实测资料分析，山区河流泥沙横断面分布有充分混匀的特性，水边沙样与断沙具有良好的相关关系，研究结果对我市中小型水利工程泥沙资料的收集、应用将具有十分重要的指导作用。 2. 流域概况 2.1 自然地理研究流域属金沙江支流横江上段居乐河流域，居乐河上设有跳石水文站，地理位置东经10328，北纬2730，流域面积512km2，河长216km，河道比降7.2。流域地形西北高,东南低。最高点为鲁甸县水磨乡猫鼻子上游的臭水井梁子，高程3111.40m，断面处高程2067m，一般在26003000m之间，平均高程2589m。流域上部大山包一带高原夷平面保留比较完整，玄武岩风化程度高，裂隙发育，土层较厚。流域内人口稠密，植被较差，开垦指数高，土壤侵蚀严重，特别是断面上游的龙树坝区河宽谷一带最为明显，是居乐河流域的主要产沙区。2.2 水文气象特征流域西北部位于五莲峰脊背部的西南端，由于西北高，东南低的地形条件和流域平均高程达2589m的高程状况，形成该流域获得较好的降水条件。流域多年平均降水量在9001300之间，高值区在转山包一带，多年平均径流深变化于500700以内，高低值区变化情况与降水量相一致。由于特殊的地理位置和气候条件，使得流域内暴雨频繁，暴雨历时较长，雨量集中，降水量多集中在汛中69月，降水量高值区连续四个月最大降水量达800mm以上。占全年的61.5%2.3 控制河段情况跳石站测验河段长约200m，断面上下游均为滩口。上滩口距断面3540m，下滩口距断面120m。上滩口属河道由西东向转东南向形成，主流在滩口位置直冲右岸乱石堆积体。河床为卵砾石组成，河槽成V形断面。右岸为块石支砌垂直挡土墙,左岸成平坦滩状，主流靠右岸。断面上游1500m处为跳石电站取水大坝，其冲沙闸启闭对含沙量有一定影响。断面以下约320m为跳石大跌水，长约1000m,落差60m左右，对断面水位流量关系有一定的控制作用。3. 基本资料跳石水文站因渔洞水库建设，于1995年恢复观测，始设泥沙测验项目。根据GB5015992河流悬移质泥沙测验规范第1.0.3条，跳石站属三类精度站。由于受水深和测验条件的限制，采样仪器选用横式采样器，输沙取样垂线经分析基本固定，垂线数视水位高低而有所增减，但每次输沙测验不低于3根垂线，中泓55.0m及右水边水面对比观测相应单沙，相应单沙沙样由输沙测验前、中、后三次沙样混合而成。沙样处理采用过滤烘干法。测点含沙量根据GB5015992河流悬移质泥沙测验规范7.1.1条中公式：Cs=Ws/V式中 Ws水样干沙重（kg）V水样容重 (m3)Cs测点含沙量 (kg/m3)进行计算。由于受测验条件的约束,无法采用多点法测沙,因此各条垂线平均含沙量均采用半深一点法测得的测点含沙量直接代替,断面输沙率采用GB5015992规范中7.2.1条之规定,用流量加权法公式:QS=Csm1qo+ (Csm1+Csm2)q1/2+( Csm2+Csm3)q2/2+( Csm3+Csm4)q3/2+ +(Csmn-1+Csmn)qn-1/2+ CsmnqnCs=QS/Q式中 QS断面输沙率 (kg/s)Csm1、Csm2、Csm3。Csmn各取样垂线平均含沙量（kg/m3）qo、q1、q2。qn取样垂线分界间部分流量 （m3/s）Cs 断面平均含沙量 （kg/m3）Q 断面流量（m3/s）进行计算。跳石站自1995年至2000年均有单断沙及各项相关水文资料，但与输沙测验同步进行的右水边水面单沙比测仅有1996年至1999年52次资料。52次对比观测资料中包含了各级水位、不同时期、不同流量级的资料（见表一）。其资料的收集属昭通水文分局根据GB50159-92河流悬移质泥沙测验规范和LS244-87水文年鉴刊印规范收集整理的，成果达到刊印水平，能满足此次分析的精度要求。4. 分析4.1 建立垂线平均含沙量横向分布模比图将跳石站19961999年共计4年52次有对比观测的输沙资料根据公式K=CSi/CS 式中 K模比系数 CSi第i条垂线平均含沙量 （kg/m3） CS 断面平均含沙量（kg/m3）1996-1999年跳石站泥沙测量各要素对照表 （表一）序号施测号数施测时间水位m流量m3/s断沙kg/m3相应单沙(Kg/m3)相对误差输沙单沙年月日时分中深半深（55.0m）右水边水面中深半深（55.0m）右水边水面（%）（%）2（%）（%）21111199661911535.7614.84.854.604.395.4329.510.5110.3222019966268585.9515.84.704.294.359.5691.48.0564.8332519966277026.5049.47.637.297.344.6621.73.9515.64996199673015306.6163.67.087.437.48-4.7122.2-5.3528.651010119967318306.6569.34.444.744.90-6.3340.1-9.3988.2611132199681118006.1730.91.331.121.8118.8353.4-26.5702.3713140199681615556.3037.019.517.620.310.79116.4-3.9415.5814169199682918085.727.090.140.140.1700-17.6309.8913219976712236.1534.56.726.716.480.150.023.7013.71023319976718046.9116.93.683.633.761.381.90-2.134.511351199761712186.1130.34.755.004.61-5.025.03.049.21247719976268275.726.687.537.827.28-3.7113.83.4311.8135152199771717106.2540.33.233.253.02-0.620.386.9548.3146165199772117496.3943.61.050.971.078.2568.1-1.873.515717519977250426.5450.27.497.746.53-3.2310.414.7216.11682041997818206.5047.67.777.268.267.0249.3-5.9335.217920519978114116.2027.71.611.751.46-8.064.010.27105.5181022419978517456.1524.212.411.912.04.2017.63.3311.11911252199781616105.859.610.590.540.559.2685.77.2752.9201233319979189406.1725.91.932.001.96-3.5012.3-1.532.32113119199792713156.2438.40.820.730.8312.33152.01.201.422143741997101115205.9815.30.170.160.176.2539.10023153821997101817005.7811.00.140.160.14-12.5156.3002419219986186335.9415.411.912.213.2-2.466.05-9.8597.025210719986237136.6554.716.917.514.9-3.4311.812.4153.8263110199862319426.3126.01.671.681.690.590.3-1.181.39274129199863019206.9391.64.294.604.05-6.7445.45.9335.228513219987117246.4748.71.461.951.50-25.1630.0-2.677.129616119987118566.3842.53.083.043.181.321.74-3.149.9307177199871319306.861046.957.966.86-12.7161.31.311.7318184199871513456.4958.26.035.995.590.670.457.8761.9329194199871715436.6688.37.958.748.03-9.0481.7-1.01.0331020619987218196.3652.04.625.114.31-9.5992.07.1951.73411228199872918456.4063.55.956.005.97-0.830.69-0.340.113512232199873016036.3044.81.281.271.370.790.62-6.5743.23613238199873118396.7711116.816.916.6-0.590.351.201.4371425819988821496.5152.610.911.310.5-3.5412.53.8114.53815274199881210296.6888.14.044.373.69-7.5557.09.4990.01996-1999年跳石站泥沙测量各要素对照表 （续表一） 序号施测号数施测时间水位m流量m3/s断沙kg/m3相应单沙(Kg/m3)相对误差输沙单沙年月日时分中深半深（55.0m）右水边水面中深半深（55.0m）右水边水面%（%）2%（%）23913819996268486.5251.05.845.835.450.170.037.1651.340247199963012416.3239.12.862.552.7212.2148.85.1526.541378199971413106.6980.43.063.453.57-11.3127.7-14.3204.542496199972118456.2623.30.900.901.0600-15.1227.8435109199972610556.2539.31.401.521.67-7.8962.3-16.2262.44461221999819125.8412.80.700.650.757.6959.1-6.6744.54571281999838205.8212.01.721.771.94-2.827.95-11.3127.74681321999858456.2641.16.896.277.639.8997.8-9.7094.147913719998615206.2136.13.303.453.31-4.3518.9-0.300.09481014619998917456.5149.713.813.613.71.472.20.730.53491115619998138355.9920.71.681.551.94-8.3970.4-13.4179.65012159199981415356.2928.56.396.507.03-1.692.9-9.1082.8511317419998189406.4354.11.871.942.48-3.6113.0-24.6605.2521421419999137006.0826.94.244.223.950.470.227.3453.9计算模比系数K值，点绘垂线平均含沙量横向分布模比K值图（见图一），由图中可看出：每条曲线均围绕着模比为1.0的标准线上下波动，水位越低,垂线数越少，相对波幅越大（如图中波幅较大的短曲线），随着水位升高,取样垂线愈多，相对波幅愈小，曲线越平滑（如图中波幅较小的长曲线）。同时，由图中各曲线的收敛现象可看出在右水边水面位置（起点距61.0m左右）所取沙样模比系数均收敛于标准线1.0附近。以上几点现象说明：该站含沙量全断面混匀程度相当高，这是由于山区性小河流河道坡降比较大，河宽沿程变化急剧，急滩、石梁、跌坎比较多，中泓位置沿河长不断发生改变，水流内部紊流程度相当高,泥沙进入河道后，经过长距离的搬运，不断地被搅拌混匀,形成全断面含沙量基本一致的特性。特别是，水位越高，流速越大，水流内部紊动越强烈，泥沙纵横向混合就越好，模比曲线波幅就越小；反之，水位越低，流速越小，水流内部结构越趋于稳定，泥沙混匀程度就越差，模比曲线波幅就越大。 4.2 建立单断沙关系图建立中泓单沙（55.0m）与断沙的单断沙关系图（如图二）和右水边水面单沙与断沙的单断沙关系图（如图三）。由图可看出单断沙关系均是一条45角的直线,点线配合良好。根据公式 S=（Csi/Csi1）/（n1）1/2 式中 Csi第i次断面平均含沙量（kg /m3）Csi第i次相应单位含沙量（kg /m3）S配线标准差 n测点数分别计算配线标准差，并统计测点相对误差，其统计结果见表二：配线标准差及测点相对误差统计表 表二内容配线标准差误差10%以内点据误差15%以内点据备注临界值10% 75%75%图二7.78%88.5%96.2%中泓单沙断沙关系图三9.27%75.0%88.5%水边单沙断沙关系由表二看出图二和图三单断沙关系均满足SD24487水文年鉴编印规范第2.10.3条和GB5015992河流悬移质泥沙测验规范第 7.6.2条之规定。根据SL2471999水文资料整编规范第2.3.1.3条之规定用测点对关系线相对误差平均值计算定线系统误差；由公式se=(lnCsilnCsi)2/(n 2)1/2式中 se测点标准差（%）其它符号意义同前计算测点标准差se。根据公式Xc=2se 式中 Xc置信水平为95%的随机不确定度（%） se测点标准差（%）计算置信水平为95%的随机不确定度Xc；并对两条关系线分别进行符号检验、适线检验和偏离值检验。各项适线指标见表三。由表三看出： 单断沙关系线适线检验指标 表三 项目 称名 符号检验u适线检验u偏离值检验t系统误差随机不确定度取值0.250.100.20临界值u1-/2=1.15u1-=1.28t1-/2=1.303.0%28%单沙垂线位置中泓0.690-0.600.69%0.16%右水边0.140.28-0.881.42%0.31%两条单断沙关系线均通过三项检验, 各项指标均满足SL2471999水文资料整编规范2.3.4条2