泥沙测验取样垂线代表性分析——以赣江下游樟树水文站为例

Analysis of the Representativeness of Sampling Vertical Lines in Sediment Measurement—Taking Zhangshu Hydrological Station in the Lower Reaches of the Ganjiang River for Example

摘要: 全自动泥沙在线监测系统的测量原理是根据单点泥沙–断沙率定关系计算出断面平均含沙量，设备需安装在测验断面具有代表性的垂线上。为优化泥沙在线监测设备安装条件，选择较理想的安装位置，提升设备的适用性，本文从主槽垂线含沙量、断面平均含沙量值在断面上的分布范围、各垂线平均含沙量与断面平均含沙量的相关关系等方面对樟树水文站泥沙垂线的代表性进行了分析，优选出泥沙在线监测设备最适宜的安装垂线位置，为泥沙在线监测设备选址安装提供理论依据。

Abstract: The measurement principle of the fully automatic sediment online monitoring system is to calculate the average sediment concentration of the cross-section based on the single-point sediment-discharge relationship. The equipment needs to be installed on a representative vertical line within the measurement cross-section. In order to optimize the installation conditions of sediment online monitoring equipment, select more ideal installation locations, and enhance the applicability of the equipment, in this paper, the representativeness of the sediment vertical lines at Zhangshu Hydrological Station was studied based on statistical analysis of the sediment content of the main channel, the distribution range of the cross-sectional average sediment concentration on the cross-section and the correlation between the average sediment concentration of each vertical line and the cross-sectional average sediment concentration. The optimal vertical line for the installation of the sediment online monitoring equipment was selected, which could provide a theoretical basis for the site selection and installation of the sediment online monitoring equipment.

1. 引言

河道的整治、堤防的修建、航道的治理、灌溉引水工程、河流上修建水库等都需要研究河流泥沙运动规律，泥沙测验在人类经济活动的许多方面有重要意义。输沙率测验需要布设较多的垂线，从水样采集、样品保存到最后的样品分析每一个步骤都非常繁琐和复杂，施测单沙以控制河流的含沙量随时间变化过程，以较精确的方法在全年施测一定数量的不同水情、沙情的断面输沙率，建立相应的单断沙关系，由单沙过程推求断沙过程可有效降低人力、物力成本，提高工作效率，而单沙测验的精度在很大程度上取决于所取样品的代表性。为提高悬移质泥沙的测验精度，从输沙率测验垂线中挑选代表性最好的单样含沙量测验垂线，王伟[1]和吴思东[2]分别对新疆伊犁河流域特克斯河卡甫其海水文站和广东珠江流域东江中下游蓝塘水文站相应单沙取样垂线代表性进行了分析，为新设站泥沙测验及水土保持项目的实施提供理论依据。李金宝等[3]对八里桥水文站输沙对比观测资料进行分析，确定了单样含沙量的取样位置，为及时抢测沙峰、提高断面平均含沙量及输沙率的测验精度提供依据。

随着水文监测新技术的不断应用，水文要素自动在线监测取得长远发展，以水文巡测、间测为主的测验方式是水文监测现代化的趋势，是提高水文监测能力的必经之路。在线监测设备安装位置的选择，关系到在线监测设备数据的代表性、准确性、可靠性，关系到设备的稳定性和可维护性。开展悬移质泥沙垂线代表性分析，是安装悬移质泥沙在线监测设备选址，探索其可行性和代表性的必要环节。

近年来，赣江下游樟树水文站采用走航式ADCP等部分流量法施测断面输沙率，每次布设11条输沙率采样垂线，并采用起点距200 m处断面输沙率施测开始和结束时2次单沙作为相应单沙，两者建立单断沙关系，为直线或折线，单断沙关系比例系数在0.900~0.975之间。为优化安装条件，提高垂线代表性和设备适用性，为泥沙在线监测设备选址安装进行垂线代表性分析很有必要。

2. 基本概况

2.1. 流域概况

赣江是鄱阳湖水系的第一大河，也是长江八大支流之一。流域位于长江中下游南岸，在江西省内按行政区划分属7个市(赣州、吉安、南昌、宜春、新余、萍乡、抚州) 47个县(市、区)。江西省境内面积80,196 km²，约占全省总面积的48%。

赣江及其支流的泥沙主要来源于雨洪对表土的侵蚀。赣江流域除平江20世纪80年代以前水土流失较严重外，其他地方及平江20世纪90年代以后的植被均良好，水土流失不甚严重，因此，赣江属少沙河流。据赣江各测站泥沙资料统计分析，赣江的悬移质泥沙年际年内变化规律与径流基本一致，丰水丰沙，枯水少沙，泥沙主要集中在主汛期4~6月，该时期的输沙量占全年的60%~70%。干流含沙量从上游往下游总体呈递减趋势，且与支流来沙量大小有关。

2.2. 测站概况

樟树水文站建于1930年12月，为赣江下游大河控制站，控制流域面积71,324 km²。位于鄱阳湖区赣江下游，东经115˚32'，北纬28˚04'，地处江西省樟树市铁路桥上游650米，赣江的右岸，流量测验精度为一类站，悬移质泥沙测验精度为二类站。该站多年平均断面平均含沙量为0.045 kg/m³；实测年最大断面平均含沙量0.520 kg/m³，出现在2022年6月16；多年断面平均年输沙量83.6 × 10⁴ t；年最大输沙量为4570 × 10⁴ t，出现在2002年。

2019年樟树水文站上游约24 km新建成新干航电枢纽工程、2019年1月樟树水文站下游约34 km龙头山水利航电枢纽成功合龙，2022年樟树水文站下游约11 km左岸肖江入赣江口原泉港闸增建一处电排闸。受新建水利工程影响，2019年前后河道水位流量关系呈显著变化，且连带含沙量与水位(流量)关系呈显著变化。具体表现为2019年之前水位流量呈带状分布，水位流量关系为多条临时曲线和连时序绳套曲线。2019年后，水位流量呈离散型分布，高水、低枯水略呈带状，水位流量关系难以建立。断面含沙量受影响条件发生变化，2019年前泥沙来源以主流为主，2019年后泥沙来源高水以主流为主，高水以下受上游8.5公里左岸支流袁水来沙影响较大。

2.3. 单、断沙测验方案

樟树水文站单沙测验方案为船测200 m固定一线垂线混合，取样测点为0.2、0.6、0.8水深；断沙测验方案为船测11线垂线混合，取样测点0.2、0.6、0.8水深；高洪备用方案为桥测水面一点法或岸边取样。

全年单沙、断沙测次按洪水过程布测，较大洪水过程单沙不少于14次，断沙不少于3次，单沙测次分布均匀且涨水面比退水面密，断沙涨、退水面及沙峰附近各不少于1次。

断沙全年测次不少于15次，其中汛前不少于1次，汛后不少于1次。全年断沙测次应在单断沙关系线上均匀分布，高沙延长幅度应小于20%，含沙量小于0.05 kg/m³测次不少于2次。水样处理方法为过滤法，沉淀时间应不少于48小时，含沙量小于0.005 kg/m³时，应将水样进行不跨年月合并处理分析。

3. 单断沙关系分析

樟树水文站2019~2023年间单断沙关系线及综合线节点见表1。

各年度单断沙比例系数分别为：2019年0.935、2020年0.900、2021年0.922、2022年0.905、2023年0.975、2024年0.927、综合线0.933。

表1. 樟树水文站2019~2024年间单断沙关系线及综合线节点表(含沙量单位：kg/m³)

2019年		2020年		2021年		2022年		2023年		2024年		综合线
单沙	断沙	单沙	断沙	单沙	断沙	单沙	断沙	单沙	断沙	单沙	断沙	单沙	断沙
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0.100	0.097	0.500	0.450	0.010	0.010	0.020	0.021	0.020	0.0185	0.020	0.020	0.600	0.560
0.600	0.561			0.460	0.424	0.620	0.561	0.400	0.390	0.490	0.454

从上述节点表可以看出，樟树水文站单断沙关系线较为稳定，大断面冲淤程度对单断沙关系稳定性变化程度不明显。

4. 单沙垂线代表性分析

4.1. 资料选用

本次分析采用2022~2023年2年29次实测悬移质输沙率测验资料，实测最低断沙0.002 kg/m³ (2022年12月2日)，最高断沙0.515 kg/m³ (2022年6月16日)，从2000年开始有泥沙分析资料以来，占历年含沙量变幅(0.520 kg/m³)的98.7%，资料可靠，精度高。选用的资料中，主泓较稳定，沙量来源无明显变化。

4.2. 垂线分析

樟树水文站悬移质泥沙除每次在200 ± 10 m处布设有取样垂线外，其他垂线位置均不固定，垂线起点距最小为38.1 m (2023年第12次)，最大为452 m (2022年第7次)；相邻垂线间最小间距为8 m (2023年第13次5号与6号垂线间距)，最大间距为112 m (2022年第5次8号与9号垂线间距)；200 ± 10 m垂线位置相对固定，且位于河道中泓位置，基本上能代表断面含沙量情况。樟树站历年采用断面平均含沙量与测验始末2次200 m处垂线平均含沙量均值建立单断沙关系。从单断沙关系分析结果可知，樟树站近6年单断沙关系均为直线或折线，线型关系稳定。除200 m外，对断面平均含沙量值在相应测次断面上的垂线分布进行分析，详见表2。

表2. 断面平均含沙量在断面上的分布范围

序号	断面平均含沙量(kg/m^3)	分布区间(小于200 m)		分布区间(大于200 m)
		起点距起(m)	起点距止(m)	起点距起(m)	起点距止(m)
202201	0.012			360	456
202202	0.012	143	163	328	462
202203	0.006	100	199	311	394
202204	0.116	117	157	245	395
202205	0.039	116	179	267	395
202206	0.082	20.1	94.1	350	361
202207	0.043	138	158	330	372
202208	0.155	147	201	369	419
202209	0.255	159	206	378	420
202210	0.515	65.2	154	340	385
202211	0.294	162	209	319	391
202212	0.007	132	200	243	288
202213	0.005	23.7	205	205	488
202214	0.002	23.2	192	241	498
202215	0.002	23.4	205	205	491
202301	0.01	120	207	261	484
202302	0.168	139	193	387	523
202303	0.04			388	486
202304	0.054	93.8	208	320	389
202305	0.05	165	200	418	504
202306	0.045	178	200	330	422
202307	0.015	23.1	103	202	408
202308	0.007	170	193	193	267
202309	0.062			387	508
202310	0.008	48.5	204	365	491
202311	0.012	73.2	130	203	491
202312	0.022	23	210	210	392
202313	0.014	86.1	160	293	366
202314	0.011	153	205	298	487

从表2可以看出断面平均含沙量值以200 ± 10 m为分界，从右岸至200 m处有3测次未出现断面平均含沙量值，占比10.3%；200 m至左岸均出现了断面平均含沙量值。根据断面平均含沙量值在断面的分布情况，用直线内插法确定断面平均含沙量值对应垂线起点距，如表3所示。

表3. 断面平均含沙量值对应垂线起点距表

序号	断面平均含沙量(kg/m^3)	等于断面平均含沙量值的起点距(m)
		小于200 m		大于200 m
202201	0.012				371
202202	0.012		163		361
202203	0.006	100	160	311	380
202204	0.116		133		321
202205	0.039	137	150	283
202206	0.082	71.2			358
202207	0.043		144		354
202208	0.155		154		378
202209	0.255	62.1			394
202210	0.515	100			363
202211	0.294		168		373
202212	0.007	154	184	258
202213	0.005	98.3	135	256	361
202214	0.002	68.6~97.7	159	293~409
202215	0.002	72.5~102	179~189	211~405
202301	0.01	158	187	298	324
202302	0.168		165		389
202303	0.04			230	403
202304	0.054	107, 146, 179			354
202305	0.05		189		423
202306	0.045				391
202307	0.015	78.9	92.8	241~314
202308	0.007	95.7		252
202309	0.062			211	441
202310	0.008	62.4~97.0	177		430
202311	0.012		102	211~238	360~428
202312	0.022	36.8	54.8~157	237	363
202313	0.014	116	156		324
202314	0.011		179		373

图1. 断面平均含沙量与各垂线含沙量对照图

从表3可以看出与断面平均含沙量值相同的垂线大致可以分为100 ± 10 m (11次)、160 ± 10 m (11次)、180 ± 10 m (7次)、360 ± 10 m (10次)、370 ± 10 m (12次)、380 ± 10 m (9次)。插补出该六条所有垂线平均含沙量如图1所示。

分别绘制各垂线平均含沙量(x)与断面平均含沙量(y)关系曲线，6条垂线平均含沙量与断面平均含沙量关系系数R²在0.9867~0.9959之间，且越靠近200 m垂线R²越接近1。剔除2023年第9测次后的相关关系见表4。

表4. 各垂线平均含沙量(x)与断面平均含沙量(y)相关关系

序号	起点距(m)	相关关系	R^2
1	100	y = 0.9768x	0.9945
2	160	y = 1.0383x	0.9977
3	180	y = 1.0591x	0.9974
4	360	y = 1.0260x	0.9982
5	370	y = 1.0015x	0.9972
6	380	y = 0.9749x	0.9956

从表4可以看出，剔除突出点后，6条垂线平均含沙量与断面平均含沙量关系系数R²在0.9945~0.9982之间，相关关系较好，其中360 m垂线含沙量与断面平均含沙量关系系数0.9982，为最高，垂线含沙量与断面平均含沙量比例系数1.0260，符合《河流悬移质泥沙测验规范》(GB/T 50159-2015)中单断沙关系线比例系数“二、三类站在0.93~1.07之间”的要求[4]。另外，垂线370 m垂线含沙量与断面平均含沙量关系系数0.9972，垂线含沙量与断面平均含沙量比例系数1.0015最接近1。

5. 结论和建议

5.1. 结论

通过上述分析，樟树水文站2022年~2023年29次资料证明，樟树水文站悬移质泥沙测验垂线布设较为合理，200 m处单断沙关系最佳。

其次，剔除2023年第9次突出点后，从单断沙比例系数看，370 m处最为接近1，单沙近似等于断沙；从单断沙相关关系系数看，360 m处相关关系，为0.9982，最接近1，线型关系最好。

5.2. 建议

樟树水文站基本水尺断面兼流速仪测流断面起点距200 m处位于赣江航道主航道内，航道内船只往来频繁，对在线监测设备运行干扰严重，设备安全难以保障。而360 m处偏离主航道约70 m，距离左岸沙洲约120 m，受航道和岸边影响较小，建议将泥沙在线监测设备安装于360 m处。

NOTES

作者简介：刘卫根(1987.02-)，硕士研究生，工程师，主要从事水文测验和资料整编工作，Email: [e-mail]