城陵磯（七里山）水文站單斷沙關系分析

羅興，張民，王慶，趙雄飛，王仕棋，唐聰

摘要：為了研究城陵磯（七里山）水文站綜合單斷沙關系線，減少城陵磯（七里山）水文站輸沙測驗次數，提高洞庭湖入匯長江輸沙量計算精度，采用相關系數法對該站2007～2021年間單斷沙實測整編成果進行單斷沙相關性分析。結果表明：綜合單斷沙關系線采用Cs斷=0.984 8Cs單（Cs斷為斷面平均含沙量，Cs單為單位含沙量）關系式時，各年單斷沙關系線與綜合單斷沙關系線最大相對偏離為-1.52%，年平均含沙量、年輸沙量推求誤差均不大于3%，滿足規范要求。研究成果可為優化城陵磯（七里山）水文站含沙量測驗方案提供參考。

關鍵詞：水文測驗； 單斷沙關系； 城陵磯（七里山）水文站； 洞庭湖

中圖法分類號：P333? ? ? ? ? ? ? ??文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.005

文章編號：1006-0081（2024）03-0030-05

0引言

水文測站單斷沙關系分析是以水文站實測懸移質泥沙數據為基礎，通過建立斷面平均含沙量Cs斷與單位含沙量Cs單之間相關關系，采用單位含沙量（簡稱“單沙”）推算斷面平均含沙量（簡稱“斷沙”），是實現站點懸移質泥沙間斷測量的重要手段［1-4］。近年來，國內許多地區針對不同水文測站水沙特性，結合系列含沙量測驗數據，建立了站點的單斷沙關系線［5-9］?？锿龋?0］對皇莊水文站單斷沙方案進行了優化分析，并通過對枯季輸沙率測驗優化測次布置，發現輸沙率測驗測次每月不少于2次即可滿足各項特征值的精度要求。然而，測站的水沙條件、斷面沖淤變化趨勢、下游頂托程度等不同會導致其單斷沙關系亦各不相同，成果無法直接借用，需單獨分析。

城陵磯（七里山）水文站始建于 1904 年，作為水利部首批“百年水文站”，測站歷史悠久，地理位置重要，是監測洞庭湖匯入長江水沙的重要控制站［5］。該站位于洞庭湖與長江匯合口上游3.5 km處，洞庭湖9條不同水系來水對洞庭湖出口的水文特性產生不同影響，加上江湖匯流的影響，長江干流頂托現象嚴重，水沙關系復雜，使得含沙量測驗測次較多。該站每年單位含沙量測次約100余次，斷面含沙量測次約20余次，測驗方式常規，測驗成本較高。為了減少城陵磯（七里山）水文站含沙量測驗次數，提高洞庭湖入匯長江輸沙量計算精度，本文采用相關系數法對2007～2021年城陵磯（七里山）水文站單斷沙實測整編成果進行單斷沙相關性分析，驗證其精度要求。通過2022年單斷沙數據對關系式進行應用評估，可為優化城陵磯（七里山）水文站含沙量測驗方案提供重要參考依據。

1城陵磯（七里山）水文站

1.1測站情況

城陵磯（七里山）水文站位于湖南省岳陽市洞庭湖與長江匯合口處上游3.5 km處，是監測洞庭湖出湖水沙情的重要水文站，是國家一類精度流量、泥沙站。測驗河段順直長度約 2.0 km，測驗斷面為復式沙質河床，左岸為蘆葦灘地，右岸為漿砌石墻。水位流量關系受湘、資、沅、澧“四水”及長江入湖太平口、松滋口、藕池口“三口”來水的洪水漲落影響，亦受荊江來水的頂托影響，水位-流量關系復雜?，F斷面啟用于1952年4月，年內沖淤變化不大，屬穩定河床。城陵磯（七里山）水文站測站位置示意見圖1。

城陵磯（七里山）水文站斷面主要泥沙來源為洞庭湖“四水”和長江“三口”來沙。其中，長江“三口”來沙經西、南洞庭湖的調蓄沉降后，不易在城陵磯斷面形成明顯沙峰過程。然而，每年汛前，洞庭湖區水位整體偏低，此時“四水”流域（主要為湘江流域）較大來水易在城陵磯（七里山）水文站形成洪水過程，俗稱“桃花汛”。因此，每年2～6月湘江來水是城陵磯水文斷面形成沙峰過程的主要成因。三峽工程建成前后城陵磯（七里山）水文站典型年份日平均含沙量過程線見圖2。

1.2泥沙測驗方法

城陵磯（七里山）水文站泥沙測驗方法按照GB/T 50159-2015《河流懸移質泥沙測驗規范》執行，測次的布置以能控制含沙量的變化過程，滿足推算逐日平均含沙量、輸沙率及特征值的需要為原則。懸移質含沙量采用全斷面輸沙和相應單沙測驗相結合的方式進行測驗，單沙取樣3條垂線起點距為480，720 m和960 m，取樣計算方法為3線等權2∶1∶1混合。全斷面輸沙取樣8條垂線起點距為180，340，480，600，720，840，960 m和1080 m，測驗方法均為全斷面8線0.2，0.6，0.8三點2∶1∶1垂線混合。

2單斷沙關系線分析

2.1資料選取

三峽工程運行期初期城陵磯（七里山）水文站水位、含沙量變幅分布情況如下：1951～2022年，城陵磯（七里山）水文站水位變幅為17.27～35.94 m，年平均含沙量為0.029～0.248 kg/m3，年最大含沙量為0.079～1.700 kg/m3。其中，2007～2022年間水位變幅為19.12～34.74 m，年平均含沙量為0.029～0.128 kg/m3，年最大含沙量為0.079～0.541 kg/m3。由此可見，三峽工程運行期初期，城陵磯（七里山）水文站水位變幅略有減小，占工程前變幅的83.66 %；含沙量明顯減少，年最大含沙量和年平均含沙量變幅分別占三峽工程建成前的28.50%和45.21%。

考慮到三峽工程建成后水沙變化特性，本次分析資料采用三峽工程初期運行期后15 a間（2007～2021年）城陵磯（七里山）水文站懸移質輸沙率測驗資料（共計416次）進行綜合單斷沙關系線分析，并采用分析成果對2022年極枯年水情條件下的泥沙成果進行驗算，其中，2007～2010年12次15線75點選點法資料不參與定線。研究時段內測驗資料序列連續，測驗方法一致，水位變幅覆蓋范圍較大，具有很強的代表性。城陵磯（七里山）水文站2007～2021年含沙量整編方法見表1。

2.2分析方法

本次單斷沙關系分析主要依據GB/T 50159-2015《河流懸移質泥沙測驗規范》、長江水利委員會水文局編《水文測驗補充技術規定》（2018）以及SL/T 247-2020《水文資料整編規范》?；谘芯空军c近15 a的實測輸沙率成果資料進行斷面平均含沙量與單位含沙量之間的相關關系分析，在分析各年單斷沙關系變化的基礎上，點繪確定綜合單斷沙關系圖，并進行符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗。

2.3綜合單斷沙關系線分析

根據《水文測驗補充技術規定》（2018）要求：單斷沙關系檢驗時，含沙量小于0.1 kg/m3（以相應單沙判斷）的單斷沙關系點可不參加關系曲線檢驗?？紤]到研究時段內，除沙峰過程外，城陵磯（七里山）水文站含沙量普遍小于0.1 kg/m3，本次研究過程仍保留時段內含沙量小于0.1 kg/m3（以相應單沙判斷）的單斷沙關系點。通過對416個實測懸移質輸沙率測驗資料進行統計分析，得到綜合單斷沙關系如下：

Cs斷=0.984 8Cs單

經檢驗，該單斷沙綜合關系線檢驗結果滿足SL/T 247-2020《水文資料整編規范》，檢驗結果見表2。

3誤差分析

3.1單斷沙關系線誤差分析

對城陵磯（七里山）水文站15 a的單斷沙關系線與所定綜合單斷沙關系線進行誤差分析或精度檢驗，其中，2007，2008，2009，2011年和2015年單斷沙關系整編線型為折線，2010年單斷沙關系整編線型為曲線，對上述年份進行精度檢驗，其余年份做誤差分析。將2012～2014年、2016～2021年單斷沙關系線與所定綜合單斷沙關系線套繪（圖3），并進行相對誤差分析，結果見表3。由表3分析可知，2012～2014年、2016～2021年單斷沙換算系數均控制在0.9778～1.000范圍，相對誤差在-1.52%～0.72%之間，滿足GB/T 50159-2015《河流懸移質泥沙測驗規范》中誤差在±3%以內的要求。

對2007，2008，2009，2010，2011年和2015年實測資料進行重新定線和檢驗。結果表明：當單斷關系采用Cs斷 = 0.984 8Cs單時，各項檢驗指標均合格（表4），綜合單斷沙關系線滿足精度要求。

3.2年平均含沙量、年輸沙量、特征值精度分析

為分析歷年單斷沙關系線與歷年整編成果所推算的年平均含沙量、年輸沙量的誤差，應用南方片整匯編軟件，采用綜合單斷沙關系線對2007～2021年資料進行了還原計算，并與整編成果進行對比，年輸沙量、年平均含沙量相對誤差計算見表5。結果表明：年平均含沙量、年輸沙量推求誤差均不大于3%。因此，年平均含沙量、年輸沙量可以用所定綜合單斷沙關系線來推求。單斷沙關系為直線情況下推算年最大含沙量、最小含沙量相對誤差，見表6。

3.3典型洪水過程含沙量變化對比

為分析歷年單斷沙關系線在典型洪水過程中的應用情況，挑選2020年長江流域性大洪水過程進行含沙量過程對比。采用綜合單斷關系線對2020年6～9月資料進行了還原計算，并與整編成果進行了對比，過程線見圖4。結果表明，推算成果與整編成果相對偏差介于-2.94%～0.00%。

42022年應用評估

2022年夏季，長江流域遭遇了自1961年有完整氣象觀測記錄以來最嚴重的氣象干旱，汛期發生流域性嚴重枯水。在此特殊水情下，城陵磯（七里山）水文站以Cs斷=0.984 8Cs單關系式為單斷沙關系對2022年泥沙成果進行定線和檢驗，計算結果：年實測最大斷面含沙量0.220 kg/m3（11月29日），實測最小斷面含沙量0.038 kg/m3（7月22日），年推算最大斷面含沙量0.227 kg/m3（12月15日），年推算最小斷面含沙量0.024 kg/m3（7月1日），推算結果合理。統計檢驗中，符號檢驗為0.58，適線檢驗為-2.41，偏離數值檢驗為0.30，隨機不確定度為10.8%，系統誤差為-0.4%，均滿足SL/T 247-2020《水文資料整編規范》要求。因此，2022年城陵磯（七里山）水文站刊印成果采用本關系式推算。

5結論

三峽工程初期運行期后，年特征水位無顯著變化，城陵磯（七里山）水文站水位變幅為19.12～34.74 m，水位變幅占1951年以來的83.66%；含沙量顯著減少，最大含沙量和平均含沙量變幅分別占三峽工程建成前的28.50%和45.21%?？紤]到三峽工程建成后水沙變化特性，本文通過對2007～2021年共15 a的416份實測輸沙率成果進行分析，并采用該分析成果對2022年極枯年水情條件下的泥沙成果進行驗算，主要得到以下結論。

（1） 城陵磯（七里山）水文站綜合單斷沙關系線為過原點的直線，關系線系數k=0.984 8。

（2） 經單斷沙關系線誤差分析，各年單斷沙關系線與綜合單斷沙關系線最大相對偏離為-1.52%，小于±3%，綜合單斷沙關系線符合規范相關要求。

（3） 采用綜合單斷沙關系線對2007～2021年資料進行了還原計算，并與整編成果進行對比。結果表明，年平均含沙量、年輸沙量推求誤差均不大于3%，滿足規范要求。

（4） 采用綜合單斷沙關系線對2022年嚴重枯水年資料進行計算，結果表明，推算成果與實測結果合理，滿足規范要求。

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（編輯：李慧）

Analysis of index and cross-sectional mean sediment concentration relation line at Chenglingji （Qili Mountain） Hydrographic Station

LUO Xing，ZHANG Min，WANG Qing，ZHAO Xiongfei，WANG Shiqi，TANG Cong

（Middle Yangtze River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：?To study the comprehensive index and cross-sectional mean sediment relationship line of Chenglingji （Qili Mountain） Hydrographic Station，reduce the test times of sediment transport at the station and improve the calculation accuracy of sediment transport of Dongting Lake into Yangtze River，the correlation coefficient method was used to analyze the comprehensive index and cross-sectional mean sediment correlation results of the index and cross-sectional mean sediment survey from 2007 to 2021.The results showed that the comprehensive index and cross-sectional mean sediment relationship of Chenglingji Hydrology Station was stable when Cs comprehensive=0.984 8Cs cross-sectional sediment relationship was adopted（Cs comprehensive as the average sediment concentration of the section，and Cs cross-sectional as the index sediment concentration）.The largest deviation of cross-sectional mean sediment and comprehensive index relationship line was -1.52%，and the error of annual sediment concentration and sediment transport were within 3%，which met the standard accuracy requirements.The research results can provide an important reference for optimizing the sediment content measurement scheme of Chenglingji Hydrology Station，which had a positive significance for the reform of the hydrological measurement method of the station.

Key words：?hydrologic test； index and cross-sectional mean sediment relationship； Chenglingji （Qili Mountain） Hydrographic Station； Dongting Lake