蒙雅雯 崔建和

(黃河水利委員會(huì)西峰水文水資源勘測(cè)局，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

1 研究背景

基層水文站基本處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，在站駐測(cè)存在諸多不便。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，常規(guī)的水文測(cè)驗(yàn)方式已經(jīng)不能滿足社會(huì)需要。為了更好地解放人力，提升測(cè)報(bào)能力，不斷探索新的測(cè)驗(yàn)技術(shù)及方式，是時(shí)代發(fā)展的需要。泥沙是表征河道沖淤變化、水土保持情況的主要元素，在水文測(cè)驗(yàn)工作中占很大比例，泥沙測(cè)驗(yàn)方式的優(yōu)化，可以在很大程度上達(dá)到解放人力、提高工作效率的目的。祁向榮[1]通過分析單斷沙關(guān)系穩(wěn)定性，對(duì)泥沙監(jiān)測(cè)方式的改革進(jìn)行了探討，從而大大減少了測(cè)驗(yàn)工作中人力的投入；劉東生等[2]對(duì)長(zhǎng)江流域水文站測(cè)驗(yàn)方案進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研究認(rèn)為應(yīng)積極倡導(dǎo)新儀器、新設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水文站測(cè)驗(yàn)方式現(xiàn)代化，該方案通過幾年的實(shí)踐證明是可行的，為水文測(cè)驗(yàn)工作方法的創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐；王俊[3]認(rèn)為水位、流量已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化測(cè)驗(yàn)，如何提高泥沙測(cè)驗(yàn)技術(shù)將是難點(diǎn)，并通過大量的探索與實(shí)踐，不斷對(duì)泥沙測(cè)驗(yàn)方式進(jìn)行優(yōu)化，取得了較好的效果；田瀛莉[4]通過分析茹河開邊站的水文系列資料，依據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》(SL 195—2015)[5]對(duì)水文測(cè)驗(yàn)改革提出了新的方式，但在泥沙測(cè)驗(yàn)方式、新設(shè)備使用方面的研究有所欠缺；王晶娥[6]對(duì)彰武水文站的測(cè)沙垂線進(jìn)行了分析精簡(jiǎn)，從原來(lái)的15條垂線精簡(jiǎn)為6條，通過實(shí)踐證明，精度能達(dá)到《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB/T 50179—2015)[7]要求；部分學(xué)者[8-13]對(duì)涇河流域及其支流的徑流、降水量、蒸發(fā)量、水資源量進(jìn)行了研究，但在泥沙測(cè)驗(yàn)方式優(yōu)化方面的分析較少。因此，本文在紅河水文站流量資料及前述學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，對(duì)泥沙測(cè)驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，推算方法進(jìn)行改進(jìn)，并提出新的優(yōu)化方案，推動(dòng)該站在水文測(cè)驗(yàn)中由傳統(tǒng)的常年駐測(cè)逐步向巡測(cè)方向轉(zhuǎn)變。

2 測(cè)站概況

紅河水文站位于甘肅省平?jīng)鍪袥艽h紅河鄉(xiāng)龍王橋村，集水面積1272km2，是國(guó)家三類精度水文站，設(shè)于涇河一級(jí)支流洪河下游，距河口(涇河)12km。區(qū)域內(nèi)洪水主要來(lái)源于洪河干支流，主要由上游暴雨形成，且多發(fā)生在每年7—8月。水系形狀狹長(zhǎng)，類似羽形，屬山溪性河流，河道縱比降大。

2.1 斷面情況

測(cè)驗(yàn)河段為巖石河床，上覆較淺一層淤泥，沖淤變化較小。左岸為巖石陡坡，坡上是公路和黃土臺(tái)地，右岸為土質(zhì)斜坡。主流居中且穩(wěn)定，中高水受河槽控制，總體來(lái)說(shuō)，斷面相對(duì)穩(wěn)定?；緮嗝嫔嫌?10m處左岸有一干溝，上游345m處右岸有種籽溝匯入，暴雨時(shí)兩溝洪水兇猛，對(duì)該斷面測(cè)驗(yàn)構(gòu)成威脅。

2.2 水沙特性

紅河水文站6—9月徑流量占年徑流量的61.7%，受徑流分布不均勻影響，91.9%的泥沙分布在6—9月。流向基本順直，洪水時(shí)流急浪大，漲落急劇且漂浮物較多，沙峰滯后于洪峰。水位流量關(guān)系曲線受附加比降影響，含沙量橫向分布均勻，垂向變化很小，近似直線，單斷沙關(guān)系為歷年綜合線，系數(shù)為k=1.00。

3 泥沙測(cè)驗(yàn)方式優(yōu)化研究

3.1 資料的選用

由于紅河水文站2008年以前沒有測(cè)流纜道，洪水期基本采用均勻浮標(biāo)和中泓浮標(biāo)測(cè)流，由于基本斷面下游700m處修建的一小型涵洞水壩對(duì)水流有頂托作用，水位流量關(guān)系發(fā)生改變，以此為界限，紅河水文站水位流量關(guān)系可以綜合為兩個(gè)系列的單一線。由于受涵洞水壩影響，非洪水暢流期斷面呈逐年淤積狀態(tài)，相同水位下斷面面積逐漸減小，河底高程增大，并于2009年以后淤積減緩，趨于穩(wěn)定。

近年來(lái)，通過植樹造林，水土保持狀況良好，因此選用2009—2018年的資料進(jìn)行泥沙測(cè)驗(yàn)方式優(yōu)化分析，對(duì)選定的流量系列資料進(jìn)行一致性分析，保證集水區(qū)域內(nèi)下墊面、人類活動(dòng)對(duì)河道斷面的影響、測(cè)站控制條件基本一致，并進(jìn)行可靠性分析。所使用的資料均為經(jīng)過水文資料整編刊印的資料，具有一定的代表性。

3.2 水文要素相關(guān)性分析

3.2.1 流量與含沙量相關(guān)性分析

3.2.1.1 流量的年內(nèi)變化

點(diǎn)繪紅河水文站2009—2018年流量的年內(nèi)變化圖，見圖1。由圖1可以看出，4—9月的流量明顯大于其他月份流量。資料顯示，紅河水文站的洪水期一般為每年的4—9月，其他月份是枯水期，洪水期流量明顯大于枯水期流量，全年徑流主要產(chǎn)生于洪水期。

圖1 紅河水文站2009—2018年的流量年內(nèi)變化

3.2.1.2 含沙量的年內(nèi)變化

點(diǎn)繪紅河水文站2009—2018年含沙量的年內(nèi)變化見圖2。由圖2可以看出，含沙量與流量年內(nèi)變化基本一致，泥沙主要產(chǎn)生于洪水期。其中4—6月平均含沙量小于10kg/m3，7—9月平均含沙量大于10kg/m3，夏季含沙量大于春季含沙量。

圖2 紅河站2009—2018年含沙量的年內(nèi)變化

3.2.2 徑流量、輸沙量相關(guān)性分析

由于流量、含沙量年內(nèi)變化基本一致，可從徑流量、輸沙量之間的關(guān)系切入，分析在一場(chǎng)洪水過程中徑流量與輸沙量之間的關(guān)系。根據(jù)洪峰劃分標(biāo)準(zhǔn)[14]，結(jié)合資料實(shí)際情況，對(duì)節(jié)選的洪水場(chǎng)次進(jìn)行劃分，小洪水：Q<50m3/s；中洪水：50m3/s≤Q<300m3/s；大洪水：Q≥300m3/s。

因近年來(lái)一直屬于枯水年，流量較小，因此，只有小洪水和中洪水。對(duì)選取的洪水場(chǎng)次進(jìn)行徑流量及輸沙量的計(jì)算，并分別點(diǎn)繪小洪水、中洪水節(jié)選場(chǎng)次中洪水量與輸沙量之間的關(guān)系見圖3、圖4。

圖3 紅河站小洪水洪水量與輸沙量關(guān)系

由圖3、圖4可以看出，小洪水、中洪水徑流量與輸沙量關(guān)系點(diǎn)據(jù)散亂，相關(guān)關(guān)系不好，無(wú)明顯規(guī)律可循。從流量大小上看，Q<50m3/s時(shí)，輸沙量大部分小于10萬(wàn)t，由于流量較小，對(duì)流域的沖刷作用小，泥沙大部分來(lái)自河床；50m3/s≤Q<300m3/s時(shí)，流量增大，水流挾沙能力增大，泥沙來(lái)自流域沖刷和河床，輸沙量相對(duì)增大。河流中泥沙的多少還與產(chǎn)沙區(qū)域、土質(zhì)情況、植被覆蓋率、地勢(shì)、人類活動(dòng)等因素有關(guān)，由于各因素的綜合影響，徑流量與輸沙量?jī)烧叩淖兓鄬?duì)獨(dú)立，有時(shí)徑流量小輸沙量反而大，有時(shí)徑流量大輸沙量反而小。綜上所述，一場(chǎng)洪水過程中僅用徑流量單一因素推求輸沙量不可行。

3.2.3 沙峰與洪峰相關(guān)性分析

涇河屬于黃河流域主要河流，是黃河的二級(jí)支流。在水沙特性方面與黃河具有高度的一致性。研究認(rèn)為[15]，黃河流域在洪水演進(jìn)過程中洪峰與沙峰的相對(duì)關(guān)系一般可分為3種情況：?洪峰在前沙峰在后，在2009—2018年的45場(chǎng)洪水中，有8場(chǎng)是洪峰先于沙峰進(jìn)入涇河河道，占總數(shù)的17.8%，在這種情況下，洪水演進(jìn)過程中沙峰的傳播時(shí)間遠(yuǎn)大于洪峰的傳播時(shí)間；?洪峰在后沙峰在前，在所統(tǒng)計(jì)的洪水中，沙峰先于洪峰匯入涇河河道的有5場(chǎng)，占11.1%，在洪水演進(jìn)過程中洪峰與沙峰的時(shí)差會(huì)逐步縮小；?沙峰與洪峰同步(水峰、沙峰相差2h以內(nèi))，在所統(tǒng)計(jì)的洪水中共有32場(chǎng)洪水沙峰與洪峰同時(shí)到達(dá)，占71.1%。2009—2018年紅河水文站水沙過程統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 2009—2018年紅河水文站水沙過程統(tǒng)計(jì)情況

由表1可以看出，洪峰與沙峰出現(xiàn)時(shí)間一致的場(chǎng)次占統(tǒng)計(jì)總場(chǎng)次的71.1%，不同步的為28.9%，二者不一致主要是由黃河上游地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙本身的規(guī)律所決定的，以及洪峰與沙峰的傳播速度不同所致。從理論上講，河道洪水的流動(dòng)屬于不穩(wěn)定流，洪峰是以波的形式傳播，而泥沙運(yùn)動(dòng)則與水流平均流速有關(guān)，泥沙沿程傳播的規(guī)律受水沙特性和河道邊界條件共同作用，其規(guī)律極為復(fù)雜，因此本文選取洪峰與沙峰同步的場(chǎng)次進(jìn)行分析研究。

3.2.4 流量與含沙量比例系數(shù)相關(guān)關(guān)系分析

選取紅河水文站2009—2018年洪水水文要素摘錄表，通過資料分析，發(fā)現(xiàn)漲水時(shí)流量與含沙量漲落變化過程基本對(duì)應(yīng)，水流挾沙能力與降水強(qiáng)度、雨量分布、產(chǎn)沙區(qū)域有關(guān)，每次洪水含沙量大小與流量的大小有所不同，但變化過程的增減率基本一致，因而理論上利用流量的比例系數(shù)與含沙量比例系數(shù)建立相關(guān)關(guān)系來(lái)推求計(jì)算洪水含沙量，能反映含沙量的變化過程。構(gòu)造流量、含沙量比例系數(shù)統(tǒng)計(jì)量：

(1)

(2)

式中：YQ為漲水段流量比例系數(shù)；Qi為漲水段某瞬時(shí)流量；CSt為某瞬時(shí)實(shí)測(cè)斷面平均含沙量;YCS為漲水段含沙量比例系數(shù)。

將復(fù)式洪峰區(qū)分開，分別計(jì)算流量、含沙量的比例系數(shù)，峰前最小值相同，兩峰峰谷點(diǎn)原則上按前峰落水計(jì)算。

洪水過程流量、含沙量比例系數(shù)相關(guān)關(guān)系見圖5、圖6，由圖5、圖6可知，其相關(guān)性均不夠理想。由于水流的運(yùn)動(dòng)方式與泥沙的運(yùn)動(dòng)方式不完全一樣，所以每一場(chǎng)水沙漲落過程中流量與含沙量的增減幅度不完全一致，故用流量、含沙量比例系數(shù)相關(guān)法推求一場(chǎng)洪水過程中的含沙量變化過程不可行。

圖5 洪水過程漲水段流量、含沙量比例系數(shù)相關(guān)關(guān)系

圖6 洪水過程落水段流量、含沙量比例系數(shù)相關(guān)關(guān)系

紅河水文站徑流量與泥沙主要產(chǎn)生于4—9月，因此將4—9月中有明顯水沙過程變化且同步的流量、含沙量過程摘出，計(jì)算各個(gè)水沙過程中同步的流量、含沙量由起漲到峰頂?shù)钠骄鲩L(zhǎng)率，建立流量、含沙量平均增長(zhǎng)率關(guān)系，見圖7。

圖7 紅河站流量、含沙量增長(zhǎng)率關(guān)系

由圖7可知，紅河水文站流量、含沙量增長(zhǎng)率存在一定相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)性R2=0.834，主要原因是河流中含沙量的增長(zhǎng)與水流流速有一定關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，流量增長(zhǎng)越快，流速越大，含沙量增長(zhǎng)越快。但其相關(guān)性仍未達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)紅河水文站上游小峴子、平泉、紅河3個(gè)雨量站的各個(gè)場(chǎng)次洪水相對(duì)應(yīng)的降水量和本次洪水的徑流量、輸沙量分別建立相關(guān)關(guān)系，分析降水對(duì)紅河水文站上游產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，回歸分析結(jié)果見表2～表4。

表2 紅河水文站多參數(shù)綜合數(shù)據(jù)

表3 降水量與徑流量回歸統(tǒng)計(jì)情況

表4 紅河站上游雨量站回歸參數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表2～表4可以得出紅河水文站降水量與徑流量相關(guān)方程為

Y=2.21x1-0.47x2+1.14x3

(3)

式中：Y為紅河站徑流量，萬(wàn)m3；x1為小峴子降水量,mm；x2為平泉降水量,mm；x3為紅河降水量,mm。

其相關(guān)系數(shù)R2=0.538,相關(guān)性較差，說(shuō)明降水量與徑流量沒有較好的相關(guān)關(guān)系。同理，計(jì)算得出的降水量與輸沙量相關(guān)系數(shù)R2=0.160，無(wú)相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于涇河流域紅河水文站發(fā)生洪水時(shí)流量與含沙量漲落變化基本相對(duì)應(yīng)的特性進(jìn)行研究，選用洪水過程中流量、含沙量對(duì)應(yīng)點(diǎn)的增減變幅比例建立相關(guān)關(guān)系，對(duì)紅河水文站泥沙測(cè)驗(yàn)方式進(jìn)行分析。結(jié)果表明，紅河水文站小洪水、中洪水徑流量與輸沙量關(guān)系點(diǎn)據(jù)散亂，相關(guān)關(guān)系不好，用徑流量單一因素推求輸沙量不可行；流量與含沙量漲水段、落水段比例系數(shù)相關(guān)性均不夠理想，故用流量、含沙量比例系數(shù)相關(guān)法推求一場(chǎng)洪水過程中的含沙量變化過程不可行；紅河水文站流量、含沙量增長(zhǎng)率存在一定的相關(guān)性，但尚未達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，其具有一定相關(guān)關(guān)系的原因是河流中含沙量的增長(zhǎng)與水流流速有一定關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)流量增長(zhǎng)越快，流速越大，含沙量增長(zhǎng)越快，且流速與降水強(qiáng)度一般成正比，降水強(qiáng)度越大，流速越大。因此，建議在下一步研究中加入降水參數(shù)，從降水強(qiáng)度方面再作進(jìn)一步的分析，研究是否可以建立更好的相關(guān)性。