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黄河高村水文站悬移质泥沙测验CsⅡ型误差分析研究

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：孟宪静王世正

[导读] 摘要：自2002年小浪底水库运用以来，黄河下游河道冲刷迅速，各水文测验断面情况及测站特性均发生了较大变化，悬移质输沙率测验误差主要来源于测验方法，对常规测验方法的CsⅡ型误差进行统计分析，得出悬移质泥沙沿水深的分布规律及适合河段特性的测验方法，为高村水文站提高水文测验质量起到很好的指导作用，更好地发挥水文为流域的合理开发、防汛减灾，有效利用泥沙资源及可持续高质量发展等提供科学的依据。

        黄河水利委员会山东水文水资源局 250100
        摘要：自2002年小浪底水库运用以来，黄河下游河道冲刷迅速，各水文测验断面情况及测站特性均发生了较大变化，悬移质输沙率测验误差主要来源于测验方法，对常规测验方法的CsⅡ型误差进行统计分析，得出悬移质泥沙沿水深的分布规律及适合河段特性的测验方法，为高村水文站提高水文测验质量起到很好的指导作用，更好地发挥水文为流域的合理开发、防汛减灾，有效利用泥沙资源及可持续高质量发展等提供科学的依据。
        关键词：高村水文站；悬移质泥沙测验；CsⅡ型误差；黄河
        1 基本情况
        1.1 河流泥沙分类及特性
        天然河流中的泥沙，根据其运动状态可分为三类，一种是被水流挟带随水流悬浮前进的悬移质；一种是沿河底滑动、滚动或跳跃的推移质；组成河床、处于相对静止的床沙，泥沙的运动形式与水流状况和泥沙粗细有关，水流流速小，紊动强度弱时，悬移质泥沙可以成为推移质或床沙。同样，水流流速大，紊动强度强时，推移质或床沙也可以成为悬移质。
        河流中挟带的泥沙大部分为悬移质，是影响着河流的发育，给河流的开发利用带来很多问题的主要泥沙。悬移质泥沙沉积淤积河道，使河床逐年抬高，洪水位也随之增高，容易造成河流的泛滥和游荡，严重时会导致河流的改道，给河道治理带来很大的困难，给沿岸的生活和经济发展造成威胁和灾害。
        黄河下游的泥沙长期淤积，形成了举世闻名的“悬河”，山东测区高村～孙口河段属于游荡性河床的末端，不但是“悬河”，而且河床极不稳定，极易造成洪水危害。[1]
        1.2 测站基本情况
        高村水文站位于山东省东明县菜园集镇冷寨村，是黄河由河南进入山东的省界把口站，也是全国大江大河重要水文站，为黄河下游的防洪、防凌及水资源调度测取各项水文资料，对黄河的治理开发及山东经济的发展发挥着重要作用。
        该站测验河段为黄河下游游荡性河床的末端，一滩一槽的复式细沙河床，滩槽流向差异较大，水沙关系不但受洪水涨落的影响，而且受冲淤变化、河势、流向等因素的影响。
        1.3 悬移质输沙率测验方法
        目前，黄河下游山东各干流水文站汛期中高水悬移质泥沙测验项目包括断面输沙率测验和单样含沙量，测验采用的仪器为瞬时式采样器。一般情况下，输沙率测验采用部分输沙率法，该方法符合部分流量加权原理，并以此推求断面平均含沙量。
        高村水文站常规输沙率测验的测沙垂线一般布置10～13条，在水深不小于0.75m时，垂线平均含沙量采用2：1：1（容积比）垂线混合法，取样位置分别在0.2、0.6、0.8相对水深处取样，其中0.2位置取样2次，0.6、0.8相对位置处各取样一次，所取水样混合后处理结果代表垂线平均含沙量。在断面上水深小于0.75m或应急测验需要缩短测验历时的情况下，垂线平均含沙量测验主要采用0.5一点法（容积根据分析需要确定）。
        精测法测验时，垂线平均含沙量采用选点法，分别在相对水深0.0、0.2、0.6、0.8、1.0处取样，分别处理分析得出测点含沙量，本次分析以该方法作为检验其他测验方法的标准。垂线平均含沙量按下式计算：
          （式1）
        2 悬移质含沙量分布一般规律及测验存在问题
        2.1 含沙量沿垂线分布规律
        黄河下游泥沙的容重一般在2.69g/cm3～2.70g/cm3之间，比水的容重大，因此在水流中悬移质要受重力作用而下沉，同时又因受水流的紊动扩散作用，两者的共同作用下使泥沙处于悬浮状态下向下游输移。悬移质含沙量在垂线上的分布规律，一般是从水面至河底呈递增趋势，含沙量的变化梯度还随着泥沙颗粒粗细不同而异。当含沙量较小时，泥沙粒径较细，其垂直分布非常均匀，变化梯度较小；当含沙量增大时，上部分布比较均匀，近河底的泥沙颗粒较粗，其变化梯度也相对增大；含沙量继续增加并达到一定的程度后，垂线变化趋于均匀稳定，对于粒径差别不大的泥沙，其垂直分布与流速的大小有关，流速越大，泥沙分布越均匀。在个别垂线上含沙量变化出现不规律、变化梯度很大的情况，这主要是受到特殊水流造床作用导致河底出现局部淘刷的影响。

        图1 高村水文站各级含沙量沿水深分布图
        2.2 存在问题及研究目的
        2.2.1 问题的提出
        自2002年小浪底水库运用以来，黄河下游河道冲刷迅速，各水文测验断面情况及测站特性均发生了较大变化，悬移质泥沙输沙率测验误差主要来源于测验方法，现行的悬移质泥沙常规测验方法的是否符合河道特性、测验成果的精度是否满足要求等问题均需要进一步分析论证，为进一步做好水文测报工作提供理论依据。
        2.2.2 研究目的及意义
        悬移质泥沙测验就是通过系统科学的水文测验，以便掌握泥沙的特性、来源、数量及其输移情况。开展黄河山东测区汛期悬移质泥沙测验方法的代表性分析研究工作，是对水沙运行规律的基础性研究。主要目的是通过悬移质泥沙的含沙量、输沙率等资料，探究小浪底水库建成运用以后，黄河下游悬移质泥沙变化情况，对现行测验方法进行检验，用以指导今后水文测验工作，提高水文测验质量，提升水文监测能力，探索水文测验模式，以便为流域的开发、合理利用泥沙资源、兴利除害及可持续高质量发展等提供可靠的水文依据。
        3 CsⅡ型误差分析及评判
        本次分析共收集了高村水文站2002年小浪底水库运用以后的实测精测法输沙率资料50次，有效测沙垂线154条，水位控制范围为59.60m～63.67m（大沽基面）；流量变化范围为357m3/s～3960m3/s；含沙量变化范围0.856 kg/m3～101kg/m3。所选取的资料均为水文资料整编成果，基本包括了高村水文站高、中、低各级洪水及含沙量，保证了资料的一致性、可靠性、代表性。
        3.1 测验误差分析方法
        悬移质泥沙测验CsⅡ型误差是指垂线上有限取样点数和计算规则所引起的垂线平均含沙量的误差，也称简化垂线取样方法分析的误差。主要是用精测法资料分析含沙量沿水深的变化规律，以精测法（本次分析为五点法）作为近似真值，统计计算各方法垂线平均含沙量的系统误差、标准差、置信水平为95%的不确定度，根据需要建立有关的数学模型，并对模型进行精度评估。CsⅡ型型误差及不确定度按下列公式估算。[2]

式中：

        本次分析以五点法垂线平均含沙量作为近似真值，统计分析2：1：1混合法、0.5及0.6一点法测得垂线平均含沙量与多点法的之间的误差、标准差及置信水平为95%的随机不确定度。
        3.2 常规测验方法
        3.2.1 相关性分析
        利用收集资料，建立常规测验方法与精测法垂线平均含沙量线性相关关系，得出二者之间复相关系数R2=1.000，说明二者关系密切；线性相关系数为1.001，表明两种方法测验得出的垂线平均含沙量值接近（见图2）。

        图2 常规测验方法与测得垂线平均含沙量相关图
        3.2.2 随机误差分布规律[3]
        常规测验方法得出的垂线平均含沙量的误差在-6.0%～4.8%之间，其中随机误差为负值的测沙垂线共78条，占总数的50.6%；误差为0的14条，占总数的9.1%；误差为正值的62条，占总数的40.3%，误差分布基本均匀（见图3）。

        图3 常规测验方法CsⅡ型误差分布图

                         图4 常规测验方法CsⅡ型误差正态分布图
        3.3 相对水深0.5一点法测验误差分析
        3.3.1 相关性分析
        建立相对水深0.5一点法与精测法垂线平均含沙量线性相关关系，得出二者之间复相关系数R2=0.999，线性相关系数为1.004（见图5）。

        图5 相对水深0.5一点法与精测法测得垂线平均含沙量关系图
        3.3.2 随机误差分布规律
        相对水深0.5一点法测验方法得出的垂线平均含沙量的随机误差在-8.8%～7.6%之间，其中随机误差为负值的测沙垂线共87条，占总数的56.5%；误差为0的5条，占总数的3.2%；误差为正值的62条，占总数的40.3%（见图6）。

        图6 常规测验方法CsⅡ型误差分布图
        3.4 相对水深0.6一点法测验误差分析
        鉴于相对水深0.5一点法误差负值较多，测验结果偏小的情况，在此根据含沙量垂线水深越大含沙量越大的情况，对相对水深0.6一点法的代表性分析。
        3.4.1 相关性分析
        建立相对水深0.6一点法与精测法垂线平均含沙量线性相关关系，得出二者之间复相关系数R2=0.998，线性相关系数为0.980，说明该方法施测垂线平均含沙量结果偏大（见图7）。

        图7 相对水深0.6一点法与精测法测得垂线平均含沙量关系图
        3.4.2 随机误差分布规律
        采用相对水深0.6一点法测得的垂线平均含沙量的误差在-7.2%～13.0%之间，其中随机误差为负值的测沙垂线共50条，占总数的32.5%；误差为0的6条，占总数的3.9%；误差为正值的98条，占总数的63.6%（见图8）。

        图8 相对水深0.6一点法CsⅡ型误差分布图
        3.5 CsⅡ型误差评判
        依据《河流悬移质泥沙测验规范》（GB/T 50159-2015）规定，对各水文站悬移质泥沙测验CsⅡ型误差进行评判。
        （1）高村水文站在水深满足取样要求时（水深不小于0.75m），采用的垂线平均含沙量常测法为2：1：1（容积比）垂线混合法的系统误差、置信水平为95%的不确定度均在规范规定范围之内，现行的测验方法的精度满足要求。
        （2）采用相对水深0.5一点法，精度能够满足要求，但系统误差、随机不确定度均高于常测法。
        （3）相对水深0.6一点法与精测法垂线平均含量相比，系统误差为1.9%，置信水平95%的情况下不确定度为12.4%，均超出规范标准。经相关系数（0.980）修订后，系统误差为-0.1%，置信水平95%的情况下不确定度为8.4%，基本满足要求。
        表1 CsⅡ型误差统计分析表

        4 结论与建议
        通过以上统计分析，可以得出以下结论及建议：
        （1）高村水文站采用2：1：1（容积比）垂线混合法施测悬移质泥沙垂线平均含沙量，精度完全符合现行有关规范要求，适用于该站水沙运行规律和测站特性，在今后的测验中可以继续应用。
        （2）采用相对水深0.5一点法施测垂线平均含沙量，虽然精度能够满足要求，但系统误差、随机不确定度均高于常测法，且负误差的测沙垂线条数占总数的56.5%，为保证测验精度，该水文站除水深小于0.75m外，不得采用一点法，若在泥沙不做其他分析要求时，可作为应急方法在测验中使用。
        （3）采用相对水深0.6一点法施测垂线平均含沙量，测得结果偏大，虽然经过系数修正后误差指标符合现行规范要求，但该站测验河段水流情况较为复杂，系数需随时进行分析确定，测验难度也较0.5一点法大，因此该方法不建议在测验中使用。
        参考文献：
        [1] 朱晓原，张留柱，姚永熙等；《水文测验实用手册》；[M].北京：中国水利电力出版社，2013，331-333，338-339。
        [2] 刘东生，陈松生，魏进春等；《河流悬移质测验规范》（GB 50179-2015）[S].北京：中国人民大学出版社，2007，46-47。
        [3] 黄振平；《水文统计原理》；[M].南京：河海大学出版社，2002，39-46。
        作者简介：
        孟宪静，男，主要从事水文水资源、水文测验、水文预报等方面研究。出生年月：1972年8月，职称：高级工程师。