水文现代化：泥沙资料整编与新技术

1.悬移质输沙率资料整编

悬移质输沙率资料整编的内容和步骤包括：收集整编有关资料，输沙率测验成果进行校核和分析，编写实测悬移质输沙率成果表，确定推求断面平均含沙量、断面输沙率的方法，推求逐日平均输沙率、含沙量，并编制相应的逐日表和洪水含沙量摘录表，进行合理性检查等。

（1）实测资料的检查分析。内容包括单沙过程线分析、单沙断沙关系分析。

1）单沙过程线分析。将水位、流量、单沙过程线绘在同一张图上，若有输沙率资料，将断沙也点在图上，对照检查各因素变化的趋势。如有突出不相应的测点，应作分析研究。出现突出现象的原因，通常有测验问题和天然因素的影响两个方面。在测验方面，如沙样称重或计算错误，导致单沙突大突小，取样位置不当或单位水样受脉动影响，引起含沙量成锯齿形跳动等；在天然因素影响方面，如季节、洪水来源、暴雨特性等变化，均使水位、流量、含沙量发生不相应的变化。

2）单沙断沙关系分析。点绘全年各次实测输沙率的相应单沙和断沙的关系，参考历年单沙断沙关系曲线的规律，对实测资料进行检查。若发现有关系点与单断沙关系曲线的一般规律不相适应，应对该测次偏离关系曲线的原因进行分析。一般可点绘流速、含沙量横向分布图和其他测次进行比较。通常造成突出偏离的原因有以下3个方面：一是相应单沙代表性差或测验计算方面存在问题。例如，输沙率测验期间含沙量变化大，只测了一次单沙作为这次输沙率的相应单沙，代表性不好，相应单沙的测验位置和方法与其他测次不同，计算错误等。二是输沙率测验或计算方面存在问题。如垂线太少或布置不当，含沙量、输沙率计算错误等。三是特殊水情的影响。如断面冲淤变化很大，主流大幅度的摆动等。

经过分析，凡属单沙和输沙率计算方面的错误，应予改正，如系测验方面存在问题，错误较大且不能改正的，可以舍弃；因为特殊水情造成的突出点，应该予以整编，并作为改进测验方法的分析资料。

（2）单位含沙量的插补方法。为了获得完整的整编成果，单沙测次必须控制全年含沙量的过程变化。如因特殊原因缺测单沙，在条件许可时应进行插朴。由于影响含沙量的因素十分复杂，在选用插补方法时，须对测站特性、洪水来源、沙量来源等情况深入分析，了解含沙量的变化和有关因素，如水位、流量、暴雨、冲淤影响等之间的关系，如插补重要沙峰，更应仔细分析研究。

插补单沙的方法有以下几种：

1）直线插补法。在水位平缓，含沙量变化不大，或水位和含沙量变化虽较大，但单沙测次间隔时间不长，且未跨过峰、谷时，可用缺测时段两端的实测单沙，按时间比例内插缺测时段的单沙。

2）连过程线插补法。在水位（或流量）变化不大，或者变化虽大，但单沙缺测时间不长时，可根据水位和流量过程线的起伏变化，连绘单沙过程线。如果上下游有测站，还可参照上下游站的流量、含沙量过程线的起伏变化进行插补。

3）相关插补法。在没有支流汇入或冲淤变化较小的河段，上下游两站的含沙量常有较好的相应关系，可用上下游两站相应的实测单沙点绘相关图，通过点群中心定出相关线。如果能满足精度要求，即可用来插补其中一站缺测时间的单沙。有的测站流量和含沙量的关系良好，通过流量与含沙量相关线插补。

（3）推求断面平均含沙量的方法。方法有单沙断沙关系法、单沙断沙的比例系数法、流量与输沙率关系曲线法和近似法等4种。

1）单沙断沙关系法。这是推求断面平均含沙量所采用的主要方法。适用于单沙断沙关系比较稳定的测站。因测站特性不同，关系曲线的型式有单一线型和多线型。

单一线型。全年的单沙断沙关系点密集成一带状，不随时间、水位或单沙测验位置和方法而存在明显系统偏离，且有75%以上的测次的关系点与平均关系线的偏差不超过±10%（测验精度较低的，可放宽到±15%）时，可采用此法。如某站单沙与断沙关系图5.39所示。

图5.39　某站单沙与断沙关系图

定线时，根据关系点的分布趋势，用目估或用分组求重心的方法，通过点群中心和原点，定出一条直线或光滑的曲线，使点子均匀地分布在关系线的两侧。

在平均曲线的两旁，分别作出偏离该线±10%（或±15%）的两条线，计算这两条线范围内点子数目与总点数之比值，该比值应大于75%。

多线法型。全年的单沙断沙关系点分布趋势不一致，随时间、水位或单沙测验位置、方法而明显地分散成几个独立的点群时，可分别用时间、水位或单沙测验位置、方法作参数，参照单一线的定线要求，定出多条单断沙关系线。

测站断面比较稳定，但在某一定水位以上，河流有漫滩、分流或弯道影响，致使含沙量的横向分布随水位而有变动时，如单沙系在固定位置施测，全年的单沙断沙关系不是单一线，可用水位作参数，定出几条单沙断沙关系线，以水位为参数的单断沙关系如图5.40所示。

图5.40　以水位为参数的单断沙关系图

图5.41　以时间为参数的单断沙关系图

当河道主流摆动，断面有冲淤变化，使含沙量的横向分布随时间不同而有变化时，如单沙在固定位置施测，则可分时段定几条单沙断沙关系线，以时间为参数的单断沙关系如图5.41所示。单沙断沙多线法的定线方法及要求与单一线法相同。利用单沙推求断沙时，应根据施测各单沙时的水位或时间等参数，查有关的关系线，推求各次单沙时间的相应断沙。

2）单沙断沙的比例系数法。方法有单沙断沙比例系数过程线法和水位与比例系数关系曲线法。

单断沙比例系数过程线法：当单断沙关系点分布散乱，无一定规律可循时，经分析确认散乱的原因主要是受水沙特性影响，如测站断面有经常性冲淤变化，主流摆动频繁，致使断沙与相应单沙Csur的比例系数m（即/Csur）依时序而变化，而输沙率测次又足够多且分布比较均匀，基本上能控制比例系数m随时间变化的过程线。由各次实测单沙的时间，在过程线上查出m值，乘以该次实测单沙，即为相应时刻的断沙，比例系数过程线如图5.42所示。

水位与比例系数关系曲线法：适用于主流随水位增高而逐渐移动，单沙测验位置固定，而水位与比例系数的关系点子密集成一带状，能定出符合精度要求的关系线，水位与比例系数关系曲线如图5.43所示。

3）流量与输沙率关系曲线法。当测站不能建立起任何一种单沙断沙关系，而流量与输沙率关系较好时，可用此法推求输沙率（或断沙）。

小流域的山区河流，源短流急，泥沙来源比较单一，通常洪峰和沙峰同时出现，其流量和输沙率（或断沙）之间关系可能成一条或几条关系线。但一般河流的流量与输沙率（或断沙）关系常呈绳套曲线型，洪峰和沙峰常不相应，且峰量各有大小，必须有较多的实测输沙率测次，才能绘出绳套关系曲线。

4）近似法。近似法仅适用于单断沙关系不好，输沙率测次又少或者只测单沙的测站或时期，直接以单沙代替断沙推算逐日平均含沙量。

图5.42　比例系数过程线图

图5.43　水位与比例系数关系曲线

（4）逐日平均输沙率和含沙量的推求方法。利用单沙断沙关系由单沙推求逐日平均输沙率、含沙量的方法，视单沙测验情况不同，有以下几种：

1）一日施测一次单沙或断沙时，即以该次单沙推求的断沙或实测断沙作为日平均含沙量，乘以日平均流量，即得日平均输沙率。

2）如几日才施测一次单沙时，其未测单沙各日的日平均含沙量可按前后施测单沙日期的断沙以直线内插求得，再由插补的日平均含沙量推求日平均输沙率。

3）若干天的水样混合处理时，以混合水样的相应断沙作为各日平均含沙量，并用以推算日平均输沙率。

4）一日内施测或摘录多次单沙时，视测次分布和流量、含沙量变化的组合情况，分别采用下列算术平均法、面积包围法和流量加权法：

算术平均法。当流量变化不大，单沙测次分布均匀时，可用各次单沙的相应断沙的平均值，作为日平均含沙量，并用以推求日平均输沙率。

面积包围法。当流量变化不大，含沙量变化较大且单沙测次分布不均匀时，可用面积包围法。即用各次单沙的相应断沙以时间加权求平均值，作为日平均含沙量，并用以推算日平均输沙率。

流量加权法。当流量和含沙量变化较大，可采用流量加权法计算日平均输沙率，再除以日平均流量得日平均含沙量。用流量加权计算日平均输沙率的方法有两种：

第一种是以一日内各次单沙推求的断沙乘以相应时间的流量Qi，求得各测次输沙率Qsi，再用面积包围法公式计算日平均输沙率Qsdm（测沙次数不足时应加以插补），即：

第二种是用相邻两次断沙的平均值乘以相应时段的流量平均值，求得各时段平均输沙率，再用时间加权计算Qsdm，即：

采用流量加权法时，日平均含沙量

（5）悬移质输沙率、含沙量整编成果的合理性检查。合理性检查分单站合理性检查和综合合理性检查两方面。

1）单站合理性检查。单站合理性检查的内容除检查整编方法是否正确合理外，着重进行推求断沙关系线的历年对照和含沙量变化过程的检查：

推求断沙关系线的历年对照。当测验情况没有较大的变动，推求断沙的方法与往年相同时，应将历年推求断沙的关系线进行对照比较，分析曲线的变化趋势、变化幅度和曲线形状。根据一般规律，结合流域的自然地理特性和本站水沙特性的变化，检查本年定线是否正确合理。

含沙量变化过程的检查。可绘制逐日平均流量、含沙量，输沙率过程线对照检查。含沙量的变化与流量的变化常有一定的关系，从历年资料中找出这种关系的一般规律性，据以检查本年资料的合理性。如有反常现象，应检查是人为的差错，还是由于洪水来源、暴雨特性、季节性因素或流域下垫面条件改变所造成。

2）综合合理性检查。对悬移质输沙率、含沙量资料的综合合理性检查，是指对流域、水系上下游站或邻站资料进行上下游站含沙量、输沙率过程线和上下游站月、年平均输沙率对照检查。根据其相互关系、影响因素和沙量平衡原理，综合分析各站资料的合理性。

上下游站含沙量、输沙率过程线对照检查：上下游测站的含沙量过程线之间常有一定的关系，利用这种特性可检查各站含沙量资料。检查时要注意含沙量过程线的形状、峰谷、传播时间、沙峰历时等是否合理。还可参看历年各种洪水形式中含沙量的变化情况，作为验证本年变化过程的参考。

上下游站月、年平均输沙率对照检查：编制上下游各站月、年平均输沙率或输沙总量对照表，利用沙量平衡原理，检查含沙量、输沙率沿程变化是否合理。对于跨月沙峰，可用两月的平均输沙率之和作上下游站比较。有较大支流来沙量影响时，应以上游站和支流站来沙量之和与下游站比较。区间河段有冲淤变化时，可用一定时段内的沙量平衡方程式进行对照检查：

式中：Wsu为上游站来沙量；Wsd为下游站排沙量；Wsr为区间流域来沙量；±ΔWs为区间河段冲淤量，冲刷取正，淤积取负。

沙量平衡法只适用于较长时段的对照检查。当水库有进、出口站和库区地形资料时，可作沙量平衡计算。

2.推移质输沙率资料整编

推移质输沙率资料整编工作，是根据实测推移质输沙率、单位推移质基本输沙率（简称单推）和有关水力因素等资料，进行实测推移质资料的审查工作，编制实测推移质输沙率成果表，确定推求推移质输沙率的方法，推算逐日推移质输沙率并编制其逐日表。

（1）实测推移质输沙率资料的审查分析。实测资料表明，河流中的推移质运动，无论是在断面上的变化，或是在时间上的变化，都比悬移质大得多。(www.xing528.com)

影响推移质输沙率的主要因素有：流速、流量、比降、断面形状、推沙粒径等。因此，可以根据测站特性寻求相关的影响因素和实测输沙率的关系来对实测资料进行分析。如用实测推移质输沙率与某水力因素过程线对照；实测推移质输沙率与某水力因素相关分析等。有实测单位推移质输沙率资料的测站，也可点绘单推断推关系点进行相关分析。

通过分析，探求推移质运动变化的内在规律，找出突出点偏离的原因，予以适当处理，并研究确定推求推移质输沙率的方法。

（2）推求逐日平均推移质输沙率的方法。推求逐日平均推移质输沙率的方法，可在资料分析后选定。一年内实测推移质输沙率的测次很少，也可积累数年实测资料后，集中合并整编。方法有以下几种：

1）推移质输沙率与水力因素相关法。在断面推移质输沙率与某水力因素（如流速、流量，水位，悬移质输沙率）有一定关系的测站，可采用此法。流速是影响断面推移质输沙率的主要因素。可分推移质输沙率与单一水力因素、综合水力因素的关系法。

推移质输沙率与单一水力因素关系法：由于推移质输沙率主要与流速的高次方成正比，因此，通常选择流速或流量作相关因素。在双对数纸上点绘断面平均流速或流量与推移质输沙率Qb的关系图，如图5.44所示，此时若点子密集成带状，可通过点群中心定出其相关直线或折线，则相关线方程形式为：

式中：a1、a2为系数，即或Q等于1时对应的Qb值；b1、b2为指数，即对数相关直线斜率的倒数。

利用Qb～Q或Qb～关系，即可由逐时或逐日流量或流速资料推求逐时或逐日推移质输沙率。

图5.44　推移质输沙率与断面平均流速关系图

推移质输沙率与综合水力因素关系法：当推移质输沙率与单一水力因素的关系不能满足定线要求，且具有多项相关因素的完整资料时，可以考虑建立推移质输沙率与多个相关因子或综合因子的相关关系。有多元回归分析法和水流功率法之分。

a.多元回归分析法。凡是与推移质输沙率有较密切关系的因素，如流速、水深、比降及推移质特征粒径等，均可作为回归因子，也可将几个因素的组合作为综合因子，用多元回归分析法建立推移质输沙率的多元回归方程：

式中：xi为第i个回归因子；bi为第i个因子的回归系数或指数；n为回归因子的个数；lg A为多元回归方程式截距。

采用多元回归分析法时，选择因子不宜过多，以关系密切、满足定线要求，且测验或推算工作量不致过大为原则。根据已确定的多元回归方程式，即可由各相关因素的资料推求Qb。

b.水流功率法。推移质运动要消耗一定的能量，该能量来自于水流运动所具有的功率。

推移带内沿水流方向单位长度上的水流总功率W0为：

式中：γ为水的容重；S为水面比降；d、B、v、Q为推移带内平均水深、宽度、流速、流量。

床沙起动所需的功率Wc为：

式中：vc为床沙起动流速，与粒径和水深有关。

通常情况下，推移质输沙率Qb与W0、Wc可以建立关系，即：

具体做法是在双对数坐标纸上点绘实测推移质输沙率Qb与相应条件下的水流功率W0的关系图。如能通过点群中心定出相关直线，即可得出Qb与W0和Wc的如下关系式：

式中：m、K分别为对数相关直线的斜率和截距，在图上直接量读推求；Wc为对数相关直线在lg Qb＝0（即坐标纸上Qb＝1）处的W0值。

2）单断推关系法。在由少数（1～3条）代表垂线测得的单样推移质输沙率qb与断面推移质输沙率Qb的关系比较稳定测站，可建立“单推”与“断推”的关系曲线，由实测单推资料推求Qb。

在断面和主推带（即推移强度最大的部分）比较稳定、单断推关系良好的情况下，单断推关系法比实测断推过程线法，可大量减少断推测次，以节省工作量。

3）实测推移质输沙率过程线法。在推移质输沙率和其他水力因素关系不好，但实测推移质输沙率测次较多的测站，可参照逐日平均流量、逐日平均悬移质输沙率及水位过程线变化，连绘实测推移质输沙率过程线。利用过程线直接查读逐日平均推移质输沙率。

3.泥沙颗粒级配资料整编

泥沙颗粒级配资料整编，包括悬移质、推移质和河床质三种。其整编方法基本相似，内容为审查分析原始资料，编制有关实测及整编图表，推算日、月、年断面平均颗粒级配，合理性检查。因计算整编方法基本类似，下面主要介绍悬移质的颗粒级配资料整编方法。

（1）实测颗粒级配资料的检查分析。在同时施测悬移质，推移质、河床质的测站，可将同时施测的三种泥沙的断面平均颗粒级配曲线绘在同一图上，检查三者相互关系。三条曲线不应相交，小于或等于相同粒径的沙重百分数，以悬移质为最大，河床质为最小。如有反常现象，须检查分析其原因。

以单位水样颗粒级配（简称单颗）小于某粒径沙重百分数为纵坐标，相应的断面平均颗粒级配（简称断颗）小于某粒径沙重百分数为横坐标，点绘关系图。单颗断颗关系如图5.45所示。若关系点有系统偏离，可能是单颗取样方法或取样位置不当所致。如单位水样用0.6一点法取样，或主流一线法取样，单颗可能系统偏粗；又如河道的冲淤变化、主流摆动等，也可能使单颗资料在一段时期内系统偏粗或偏细。若单颗断颗关系散乱，可能是单颗代表性差，或者是分析操作误差较大，计算错误，以及特殊水情，沙情的影响等原因造成。对计算错误的资料，应予改正。

图5.45　单颗断颗关系图

（2）推求断面平均颗粒级配的方法。有单颗断颗关系法、断颗过程线法和单颗过程线法（近似法）：

1）单颗断颗关系法。以单颗测次控制悬沙级配年内变化过程，且单断颗关系比较稳定的测站，可采用单颗断颗关系曲线法，将单颗级配换算为断颗级配。

当单颗断颗关系良好，关系点对平均关系无系统偏离，粗颗粒（D75以上）部分和细颗粒部分关系点的标准差分别小于2%～4%和4%～8%，且断颗多于或少于单颗一个粒径的测次少于总测次的20%～30%时，可将单颗断颗关系定为单一线。当单颗断颗关系随水位或时间有明显的系统偏离，分布成两个以上的点带组时，可按单一线定线要求分别定线。不论关系线是直线或是曲线，其下端均应通过纵横坐标为零，其上端是否通过100%一点，则视关系点分布而定。利用单断颗关系将单颗换算为断颗时，如果关系图上单颗比断颗系统偏细，应先根据单颗沙重百分数为100%的粒径级在曲线上查出断颗沙重百分数，再按规定的分级粒径向上增加一个粒径级，作为断颗沙重百分数为100%的对应粒径级、如单颗比断颗系统偏粗，则只利用断颗沙重100%以下的关系线进行换算。

2）断颗过程线法。只测悬移质输沙率而不测单沙的站，或用常测法测推移质输沙率测次较多的站和测定河床质级配的站，可考虑用绘制断颗过程线法推求没有实测断颗资料时期的悬移质或推移质、河床质的断面平均颗粒级配。

3）单颗过程线法（近似法）。当单颗断颗关系点很散乱而不能定出关系线，或者只测单颗的测站或时期，可直接以实测单颗近似作为断颗，并用单颗过程线法，推求日、月、年平均颗粒级配。

（3）悬移质日、月、年平均颗粒级配和平均粒径的计算。有日平均颗粒级配，月、年平均颗粒级配和日、月、年平均粒径的计算：

1）日平均颗粒级配的计算。一日内实测一次单颗或断颗的，以单颗关系法换算的断颗或实测断颗作为该日平均断颗。一日内实测多次实测颗粒级配资料的，视粒配和输沙率变化大小，分别采用算术平均法或输沙率加权法计算日平均颗粒级配。未实测之日不作插补。

2）月、年平均颗粒级配的计算。非汛期一月内只有一日实测颗粒级配资料的，即以该日平均值作为该月平均值。

一月内有多日（次）实测颗粒级配资料的情况，当月内输沙率变化较小时，用算术平均法计算月平均值，即

式中：Pmm为月平均小于某粒径的沙重百分数，%；Pi为月内各日（次）断面平均小于某粒径的沙重百分数，%；n为观测次数。

当月内输沙率变化较小时，用时段输沙量或时段平均输沙率加权法计算月平均值，即

式中：Pmm为月平均小于某粒径的沙重百分数，%；Pi为月内各日（次）断面平均小于某粒径的沙重百分数，%；QsTi为各日（次）代表时段的平均输沙率，kg/s。

各日或测次代表时段的划分原则是：两日或两次间输沙率变化较小时，一般以1/2处为分界；输沙率变化较大时，以输沙率变化的转折点为分界。

缺测月份一般不作插补。年平均颗粒级配用月输沙量或月平均输沙率Qsmm加权法计算：

式中：Pam为年平均颗粒级配，%；Pmm为月平均小于某粒径的沙重百分数，%；Qsmm为月平均输沙率，kg/s。

3）日、月、年平均粒径的计算。日、月、年平均粒径Dm，根据相应的级配曲线，分粒径组，用分组沙重百分数加权法计算：

式中：ΔPi为日、月或年平均颗粒级配曲线上某粒径组的沙重百分数，%；为某粒径组平均粒径，mm；Du、Dd分别为某粒径组上限、下限粒径，mm。

（4）泥沙颗粒级配资料的合理性检查。该检查有历年悬移质颗粒级配曲线对照，悬移质颗粒级配时程变化与流量、含沙量过程线对照和悬移质颗粒级配资料的上下游对照：

1）历年悬移质颗粒级配曲线对照。以本年和历年的年平均的颗粒级配曲线进行对照，一般是曲线形状大致相似，且密集成一狭窄带状分布。如发现本年曲线形状特殊，或某时期前后曲线偏离成另一系统，应深入分析，找出变化原因。例如，受自然因素变化影响，如特大洪水、特别枯水、洪水来源不同等；受人类活动影响，如流域内垦荒、水土保持、水利工程施工、河道疏浚、水库拦洪、灌溉引水等；受各时期测验、颗粒分析、水样处理的方法不同的影响等。

2）悬移质颗粒级配时程变化与流量、含沙量过程线对照。先在年历格纸上绘制各有关因素综合过程线，图的上部分绘出逐日平均流量、含沙量（或输沙率）过程线；图的下部分绘出各次实测断颗各粒径的小于某粒径沙重百分数过程线。分析各种过程线之间的相应关系和变化规律，借以发现问题。

一般情况下，各粒径百分数的时程是渐变的。在某些多沙河流上，往往是洪水期粗颗粒泥沙比重减少，细颗粒泥沙比重增加，枯水期则相反。由于各流域自然地理、气候情况不同，这一规律不一定各河流都相同，应根据历年资料找出本站泥沙级配变化规律，进行检查。

3）悬移质颗粒级配资料的上下游对照。用小于某粒径沙重百分数沿河长的演变图，来分析泥沙颗粒级配沿程分布的合理性。当流域内土壤、地质等自然地理条件基本相同，区间河段又无严重冲淤变化时，一般是悬移质颗粒沿程而下的过程中较细泥沙相对增多，粗沙相对减少。如果河流流经不同的土壤地质带或河段有严重冲淤变化、大支流汇入或局部地区暴雨影响等，则也可能出现反常变化。