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        烏龍磯站水文特性分析

        2015-04-29 00:00:00柳鐵忠吉辛望
        基層建設(shè) 2015年1期

        1 海委引灤局烏龍磯水文站 河北承德 067400;

        2 海委引灤局水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心 河北唐山 064309

        摘要:本文基于實(shí)測(cè)資料,總結(jié)了烏龍磯站各水文要素的一般規(guī)律。通過對(duì)基本斷面演變的分析及斷流水位推求,探討了測(cè)站水文泥沙特性及規(guī)律,并對(duì)今后測(cè)驗(yàn)工作開展提出了建設(shè)性意見。

        關(guān)鍵詞:水文特性;斷面演變;斷流水位;水沙特性;烏龍磯站

        1 概況

        烏龍磯水文站位于河北省承德縣境內(nèi)、灤河干流中游,控制流域面積30100Km2。上有伊遜河、武烈河、老牛河等支流匯入,下有柳河、瀑河等支流入?yún)R。該站始建于1983年,作為潘家口水庫(kù)在灤河干流上的入庫(kù)控制站,也是國(guó)家首批重點(diǎn)水文站,承擔(dān)著灤河干流水文測(cè)驗(yàn)及向潘家口水庫(kù)和國(guó)家防總報(bào)汛的重要職責(zé)。測(cè)驗(yàn)任務(wù)包括降水、蒸發(fā)、水位、流量、水溫、冰凌、懸移質(zhì)輸沙率等項(xiàng)目。

        2 基本水文特性

        2.1 降水

        烏龍磯站多年(1985~2013)平均降水量578.7mm,其中最大年份可達(dá)885.8mm(1990年),而最旱的年份僅有338.7mm(2002年),二者相差達(dá)2.6倍。降水多集中于七、八兩月,占到全年的50%以上;其次是六月份,占近18%。最大日降水量165.4mm(1994年7月12日)。最大日降水常發(fā)生于七月中、下旬,其次,發(fā)生于八月份的機(jī)會(huì)也較多。多年平均降水日數(shù)67天。

        2.2 蒸發(fā)

        烏龍磯站多年(1985~2013)平均蒸發(fā)量946.5mm,最大年蒸發(fā)量1219.0mm(1996年),最小年蒸發(fā)量759.3mm(2007年)。蒸發(fā)量最大的月份為四、五月份,最小的月份為十二、一月份。最大日蒸發(fā)量可達(dá)17.4mm(1996年5月15日)。結(jié)冰期,一般初冰多在十一月初,終冰多在三月底。

        2.3 水位

        烏龍磯站水位測(cè)驗(yàn)采用假定基面,校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程為15.00m。歷史最高洪水位10.49m(1994年7月13日),最低枯水位3.09m(1992年6月1日)。多年(1984~2013)平均水位3.76m。年最高水位多出現(xiàn)于七月下旬至八月中旬,最低水位多出現(xiàn)于五、六月份。封凍期,一般封凍在十二月中旬,解凍在二月下旬。

        2.4 流量

        該站在暢流期具有穩(wěn)定的水位~流量關(guān)系,其關(guān)系線呈單一曲線。冰期推流則依時(shí)序點(diǎn)繪實(shí)測(cè)流量點(diǎn),直接連接各點(diǎn)為過程線,即采用連實(shí)測(cè)流量過程線法。多年(1984~2013)平均流量30.3 m3/s。歷史最大洪峰流量5720m3/s(1994年7月13日)。在基本斷面采用流速儀法測(cè)得的最大流量為1440 m3/s(1992年8月4日),相應(yīng)測(cè)次平均流速3.06 m/s,最大測(cè)點(diǎn)(水面)流速5.06 m/s。

        1999~2004年連續(xù)六年的枯水年,使該站流量出現(xiàn)歷史最小值0.30m3/s(2001年6月6日)。尤其是2002年,全年最大流量?jī)H38.5m3/s,為建站以來所僅有。

        2.5 徑流量

        烏龍磯站多年(1984~2013)平均年徑流量9.365億m3,徑流量Cv值0.67。表1是徑流量年內(nèi)各月所占權(quán)重分布情況。由表可見,徑流量集中在七、八兩月,占全年徑流量的45%以上。最枯的月份為一、二、五月。其中,一、二月份適逢穩(wěn)定封凍期;五月份則為產(chǎn)、

        匯流較少而沿河灌溉引水高峰期。

        圖1為徑流量年際變化柱狀圖。由圖可見,年徑流量大致呈現(xiàn)連豐連枯的特征。1990~1998年的九年間,年徑流量均超過(或接近)10億m3;而1999~2013年的十五年間,年徑流量均不足10億m3,其中2000年僅2.96億m3,為建站以來最枯年份。

        3 基本斷面演變

        烏龍磯站基本斷面由主河槽和右岸灘地兩部分組成。其中,主河槽寬約120m,為卵石夾沙河床。灘地寬300余m,水流漫灘機(jī)會(huì)較少,灘地常年種植有農(nóng)作物。左岸陡壁下有當(dāng)?shù)卮迕衽d修的灌渠,自斷面所在河段上游引水入渠,渠內(nèi)流量最大時(shí)可達(dá)19.1m3/s(實(shí)測(cè)值)。

        表2為該站基本斷面特征值年際變化情況統(tǒng)計(jì)。由表可知,河床年際間沖淤變化不大,河床平均高程以及河底最低點(diǎn)高程變幅均較小,未呈現(xiàn)明顯的淤高或刷深趨勢(shì)(見圖2),具有穩(wěn)定的河相關(guān)系。

        河相系數(shù)的表達(dá)式為:

        ζ=B1/2/H

        式中,B為河寬(m),H為平均水深(m)。從表2中可以看出,平均河底高程以及河槽寬年際間變化不大。這就決定了斷面河相系數(shù)是一個(gè)比較穩(wěn)定的值。漫灘流量下的水位取為

        7.0m,由圖2查得相應(yīng)河寬為144m,并計(jì)算得平均水深為2.37m。則該斷面河相系數(shù)為:

        注:表中各年河槽寬依照當(dāng)年大斷面實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)在兩岸高程由陡變而漸變(或由漸變而陡變)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的起點(diǎn)距之差而定。

        在無(wú)實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)的低水部分,需對(duì)水位~流量關(guān)系曲線進(jìn)行延長(zhǎng),以推求低水部分流量。這時(shí),須先確定斷流水位【1】以用做控制點(diǎn),然后順曲線趨勢(shì)延長(zhǎng)至該點(diǎn)。如圖3所示,實(shí)線部分是某年水位流量關(guān)系低水部分的放大曲線,在圖中選取A(Ga,Qa)、C(Gc,Qc)二點(diǎn),其中,Ga、Gc,Qa、Qc分別代表A、C二點(diǎn)的水位和流量值,Ga=3.95m,Qa=54.0 m3/s,Gc=3.64m,Qc=20.0 m3/s。另在圖中選取B(Gb,Qb)點(diǎn),Gb、Qb代表B點(diǎn)水位、流量值,并使Qb滿足下式:

        Qb=(Qa· Qc)1/2 (1)

        將Qa、Qc值代入式(1),求得Qb=32.9m3/s。從圖中查得相應(yīng)的水位值Gb=3.78m。

        采用下式計(jì)算斷流水位Z值:

        Z=(Ga· Gc-Gb2)/(Ga+Gc-2Gb) (2)

        用式(2)求得Z=2.99m。即斷流水位為2.99m。

        相應(yīng)年份大斷面最低點(diǎn)高程為2.34m,實(shí)測(cè)最低水位為3.09m,斷流水位介于二者之間,表明計(jì)算結(jié)果是合理的。以此斷流水位為終點(diǎn),將水位~流量關(guān)系曲線延長(zhǎng)至此,見圖中虛線部分(曲線下部)。由此,便可編制完整的水位~流量關(guān)系表了。

        圖3 低水延長(zhǎng)法推求斷流水位示意圖

        5 水沙特性

        表3是烏龍磯站一次洪水的水位、流量過程。由表中可見,流量由幾百秒立米陡增至5000m3/s,歷時(shí)僅約10h。洪峰水位10.49m,漲幅達(dá)6m,體現(xiàn)了山區(qū)河流洪水來勢(shì)猛、漲幅快的特點(diǎn)。以1994年7月中旬的一場(chǎng)洪水為例,其一日洪量達(dá)到3.612億m3,三日洪量6.018億m3,七日洪量7.398億m3??梢姡粓?chǎng)洪水的洪量,主要集中在最大三日內(nèi)。水面流速可達(dá)5.0m/s以上,顯現(xiàn)出峰高、量大、流急的特點(diǎn)。

        另從該站歷年實(shí)測(cè)流量成果可以看出,雖然流速大小與水位高低存在一般的線性關(guān)系,即大流速對(duì)應(yīng)高水位,但就某一年而言,最大測(cè)點(diǎn)流速和最大斷面平均流速則可能發(fā)生在不同的測(cè)次。如1997年,實(shí)測(cè)最大測(cè)點(diǎn)流速4.91m/s,相應(yīng)測(cè)次的水位為7.50m;而當(dāng)年最大斷面平均流速3.20m/s,則發(fā)生在水位為6.33m的測(cè)次。

        1980~1990年代,烏龍磯站曾開展懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn),取得了若干測(cè)次的單、斷沙測(cè)驗(yàn)成果,后因?yàn)春铀颠B續(xù)發(fā)生枯水年份而停測(cè)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上點(diǎn)繪該站單、斷沙關(guān)系曲線,大致呈一45°斜線。按規(guī)范要求,一類站單斷沙關(guān)系線的比例系數(shù)在0.95~1.05之間【2】。當(dāng)單沙能夠代表斷面平均含沙量時(shí),則輸沙率測(cè)驗(yàn)即可簡(jiǎn)化為單沙測(cè)驗(yàn)與流量測(cè)驗(yàn)。烏龍磯站單、斷沙關(guān)系滿足這一要求,因此,在進(jìn)行洪水輸沙率測(cè)驗(yàn)時(shí),可將單沙測(cè)驗(yàn)結(jié)果作為斷面平均含沙量參與計(jì)算,以縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí)。

        6 結(jié)語(yǔ)

        烏龍磯站做為首批國(guó)家重點(diǎn)水文站,建站30年來,為工程管理運(yùn)用積累了大量翔實(shí)的第一手資料。同時(shí),做為干流控制站和基本水文站,具備實(shí)施《測(cè)站任務(wù)書》中規(guī)定的全部測(cè)驗(yàn)任務(wù)的能力。因此,烏龍磯站應(yīng)加強(qiáng)全斷面流量控制測(cè)驗(yàn),并在做好日常水文測(cè)驗(yàn)的同時(shí),繼續(xù)開展懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn),為水庫(kù)沙量平衡計(jì)算提供重要依據(jù)。

        參考文獻(xiàn):

        【1】湖北省水利學(xué)校,《水文資料整編》,水利電力出版社,北京,1979.11;

        【2】中華人民共和國(guó)水利部,《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》,中國(guó)計(jì)劃出版社,北京,2007.5;

        【3】【4】水利電力部水利司,《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》,水利電力出版社,北京,1983.8;

        【5】劉光文,《水文分析與計(jì)算》,水利電力出版社,北京,1989.11。

        作者簡(jiǎn)介:

        柳鐵忠(1963-),男,河北衡水人,在職陸地水文專業(yè)中專學(xué)歷,技師,長(zhǎng)期從事河道水文測(cè)驗(yàn)工作。

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