程 亮 管運(yùn)彬

(贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心，江西 贛州 341000)

泥沙顆粒級(jí)配是影響泥沙運(yùn)動(dòng)形式的重要因素，收集泥沙粒徑級(jí)配資料，研究其變化規(guī)律，在水利工程建設(shè)與管理、河道治理與防洪等方面有著重要意義。

泥沙顆粒級(jí)配分析是水文測(cè)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一，該項(xiàng)目需要人工駐站取樣，任務(wù)繁重、分析耗時(shí)較長(zhǎng)，不適應(yīng)新形式下的現(xiàn)代水文發(fā)展理念。為落實(shí)好“駐巡結(jié)合、巡測(cè)為主”的水文監(jiān)測(cè)模式，近年來(lái)，水文工作者圍繞泥沙測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目作了大量的精簡(jiǎn)分析，如趙建波[1]對(duì)渭河拓石站顆粒級(jí)配間測(cè)作了分析，祁向榮[2]對(duì)潘家莊水文站泥沙測(cè)驗(yàn)方式進(jìn)行了探討，通過(guò)對(duì)歷年資料穩(wěn)定性的分析，論證了實(shí)行間測(cè)方案的可行性，大大優(yōu)化了測(cè)驗(yàn)方案。因此，本文對(duì)居龍灘水文站的泥沙顆粒級(jí)配資料進(jìn)行分析，既符合當(dāng)前現(xiàn)代水文發(fā)展的要求，又可解放生產(chǎn)力、提升工作效率。

居龍灘水文站是桃江流域控制站，自開展懸移質(zhì)泥沙顆粒分析工作以來(lái)，從1984年到2020年已累積37年資料，且歷年單斷顆關(guān)系較為穩(wěn)定。近年來(lái)，受水利工程新建、河道監(jiān)管加強(qiáng)、人類活動(dòng)等影響，水沙要素發(fā)生了較大的變化，因此本文通過(guò)對(duì)居龍灘水文站歷年泥沙顆粒級(jí)配資料進(jìn)行分析，探討該站懸移質(zhì)顆粒級(jí)配測(cè)驗(yàn)方式的改革，從而減輕該站測(cè)驗(yàn)工作量，為實(shí)現(xiàn)懸移質(zhì)顆粒級(jí)配間測(cè)提供依據(jù)。

1 測(cè)站基本情況

1.1 測(cè)站概況

居龍灘水文站為大河控制站，屬國(guó)家重要水文站，始建于1951年12月，1953年1月基本斷面上遷8km，屬鄱陽(yáng)湖區(qū)贛江水系桃江控制站，流域面積7751km2。居龍灘水文站位于東經(jīng)115°6′53.7″，北緯25°49′4.7″，距離河口15km，地處江西省贛州市贛縣區(qū)大田鄉(xiāng)夏湖村，現(xiàn)觀測(cè)項(xiàng)目有降水、水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、懸移質(zhì)顆粒級(jí)配。為流量測(cè)驗(yàn)精度一類站，懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)精度二類站。

1.2 懸移質(zhì)顆粒級(jí)配測(cè)驗(yàn)情況

居龍灘站單斷顆測(cè)驗(yàn)取樣位置在基本水尺斷面，單顆取樣位置為起點(diǎn)距70m處，采樣方法為固定一線垂線混合；斷顆采樣一般在起點(diǎn)距 25～180m 范圍內(nèi)，斷顆取樣垂線均不少于10條，采樣方法為全斷面混合。2002年以前采用橫式采樣器，2002—2020年采用皮囊式采樣器，泥沙處理方法采用過(guò)濾法。

1.3 主要水利工程情況

1.3.1 黃云水庫(kù)

黃云水庫(kù)位于桃江流域，壩址在全南縣南逕鎮(zhèn)黃云村，于1985年3月開工建設(shè)，1990年1月竣工。水庫(kù)集水面積93.7km2，多年平均徑流量為0.9020億m3，是一座以發(fā)電為主，兼顧灌溉、養(yǎng)殖的中型調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)總庫(kù)容為0.4650億m3，裝機(jī)容量為2500kW(2臺(tái)×1250kW)，年發(fā)電量為820萬(wàn)kW·h，設(shè)計(jì)灌溉農(nóng)田1.25萬(wàn)畝，壩址離居龍灘水文站河道210.0km。

1.3.2 虎頭陂水庫(kù)

虎頭陂水庫(kù)位于桃江流域，壩址在全南縣金龍鎮(zhèn)來(lái)龍村，于1989年7月開工建設(shè)，1994年1月竣工。水庫(kù)集水面積408km2，多年平均徑流量為3.9100億m3，是一座以發(fā)電為主，兼顧灌溉的中型日調(diào)節(jié)水利樞紐。水庫(kù)總庫(kù)容為0.1083億m3，裝機(jī)容量為4000kW(2臺(tái)×2000kW)，年發(fā)電量為1280萬(wàn)kW·h，設(shè)計(jì)灌溉農(nóng)田0.10萬(wàn)畝，壩址離居龍灘水文站河道190.0km。

1.3.3 居龍灘水電站

居龍灘水電站位于桃江流域，壩址在贛縣大田鄉(xiāng)夏湖村，于2005年1月開工建設(shè)，2008年1月竣工?？刂屏饔蛎娣e為7748km2，水庫(kù)總庫(kù)容為7.76萬(wàn)m3,裝機(jī)容量為60000kW，壩址離居龍灘水文站河道1.5km，對(duì)本站影響較大。

2 分析依據(jù)及資料選用

2.1 分析依據(jù)

根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB/T 50159—2015)[3]8.1.4條和8.2.4條：二、三類站有5～10年以上資料證明，顆粒分析所包括的含沙量變幅占?xì)v年變幅的80%以上時(shí)，可按下列規(guī)定進(jìn)行顆粒級(jí)配間測(cè)分析：?將歷年斷顆與相應(yīng)單顆顆粒級(jí)配分析成果，按小于某粒徑沙重百分?jǐn)?shù)分成若干組，用各組平均值繪制歷年綜合單斷顆關(guān)系線；?將各年單斷顆關(guān)系線套繪于歷年綜合單斷顆關(guān)系曲線圖上，當(dāng)各年關(guān)系線偏離綜合關(guān)系線的最大值粗沙部分在±3%以內(nèi)，細(xì)沙部分在±6%以內(nèi)，且斷顆多于或小于單顆一個(gè)粒徑級(jí)的測(cè)次占總測(cè)次的30%以下時(shí)，可實(shí)行間測(cè)或停測(cè)。

2.2 資料選用

根據(jù)居龍灘站1958—2020年共63年斷面含沙量資料，1984—2020年共37年系列泥沙顆粒分析資料對(duì)測(cè)驗(yàn)斷面含沙量變化情況進(jìn)行分析。顆粒分析資料中1984—2013年共30年資料系列采用粒徑計(jì)法進(jìn)行分析，從2014年1月起改用馬爾文MS2000激光粒度分析儀進(jìn)行分析。年平均含沙量變化趨勢(shì)和年最大單位含沙量趨勢(shì)情況見(jiàn)圖1和圖2。由圖1、圖2可知，含沙量從1996年以后有逐年減少的趨勢(shì)，至2008年居龍灘水電站發(fā)電后斷面含沙量顯著減少并趨于穩(wěn)定，1966年、1984年、1996年、2016年、2019年發(fā)生過(guò)較大洪水的年份單位含沙量偏大，其中1984—1996年桃江流域開采稀土情況較為嚴(yán)重，使年平均含沙量和單位含沙量均偏大，2016年、2019年考慮洪水漫壩、水電站排沙等因素使得含沙量偏大，故統(tǒng)計(jì)含沙量變幅時(shí)不予考慮。統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)最大含沙量出現(xiàn)在2008年(2008年為樣本年)，為0.760kg/m3，占含沙量穩(wěn)定變幅比重的100%。

圖1 年平均含沙量變化趨勢(shì)

圖2 年最大單位含沙量趨勢(shì)

因此，本次分析選用資料系列較長(zhǎng)中的2008—2013年共6年資料，樣本年單斷顆采樣方法、分析方法一致。

3 分析計(jì)算

3.1 歷年綜合線法

a.將樣本年斷顆與相應(yīng)單顆分析成果，按小于某粒徑沙重百分?jǐn)?shù)分成若干組計(jì)算平均值，用各組平均值繪制歷年綜合單斷顆關(guān)系線，見(jiàn)表1、表2及圖3。對(duì)繪制的關(guān)系曲線進(jìn)行3種檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為：符號(hào)檢驗(yàn)1.03<1.15，合理；適線檢驗(yàn)0.60<1.28，合理；偏離數(shù)值檢驗(yàn)1.09<1.30，合理；標(biāo)準(zhǔn)差2.3%<9.0%，不確定度4.6%<18.0%，系統(tǒng)誤差0，不超過(guò)±5%，符合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2020)中的規(guī)定。

表1 各年分組粒徑百分?jǐn)?shù)平均值

表2 歷年單斷顆關(guān)系節(jié)點(diǎn)

圖3 歷年單斷顆關(guān)系

b.在歷年資料庫(kù)中查驗(yàn)2008—2013年單斷顆關(guān)系，關(guān)系曲線均為45°線，將各年單斷顆關(guān)系線套繪于歷年綜合單斷顆關(guān)系曲線計(jì)算偏離值，最大偏離值為1.4%，在允許偏離范圍內(nèi)，見(jiàn)圖4。計(jì)算各年斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)測(cè)次占總測(cè)次的百分?jǐn)?shù)，均為0<30%，見(jiàn)表3。

圖4 2008—2013年與歷年單斷顆綜合線

表3 斷顆多于或少于單顆一個(gè)粒徑級(jí)測(cè)次占比統(tǒng)計(jì)情況

3.2 資料分析結(jié)果

根據(jù)各年單顆和斷顆建立的單斷顆關(guān)系線，根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL 247—2020)[4]進(jìn)行相關(guān)誤差3項(xiàng)檢驗(yàn)(符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離符號(hào)檢驗(yàn))，檢驗(yàn)均為合格，關(guān)系曲線合理。通過(guò)分析可以看出，顆粒分析含沙量占總含沙量變幅的百分?jǐn)?shù)大于80%，且斷顆小于單顆一個(gè)粒徑級(jí)的測(cè)次占總測(cè)次的百分?jǐn)?shù)小于30%，各年單斷顆關(guān)系曲線和歷年綜合關(guān)系曲線偏離最大值粗沙部分不超過(guò)±3%，細(xì)沙部分不超過(guò)±6%。資料選用合理、分析方法正確，符合《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB/T 50159—2015)8.1.4條和8.2.4條規(guī)定，可實(shí)行間測(cè)。另外，由于本次資料分析的最大含沙量在0.760kg/m3以下，因此當(dāng)資料不滿足使用要求時(shí)或單樣含沙量超過(guò)0.760kg/m3時(shí)，應(yīng)恢復(fù)測(cè)驗(yàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水文測(cè)驗(yàn)工作也面臨新的挑戰(zhàn)，水利工程的興建、人類活動(dòng)的影響等使得水文要素發(fā)生了新的變化。同時(shí)，交通條件的改善、新設(shè)備新技術(shù)的應(yīng)用也使水文測(cè)驗(yàn)方式逐步從原有的駐測(cè)過(guò)渡到巡測(cè)、間測(cè)，大大提高了工作效率。加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有水文資料的研究和分析，可掌握各水文要素的變化情況，摸清測(cè)站特性，對(duì)水文監(jiān)測(cè)改革有著重要意義。因此，本文通過(guò)對(duì)居龍灘水文站多年懸移質(zhì)顆粒級(jí)配資料進(jìn)行分析，論證了單顆可代表斷顆實(shí)行間測(cè)的方案可行，有利于減輕該站測(cè)驗(yàn)任務(wù)，提高監(jiān)測(cè)效率，符合新時(shí)期水文發(fā)展的要求。