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        湖南南咀水文站懸移質(zhì)含沙量測驗探討

        2019-09-10 06:54:19曾渝周曉黎炎慶涂盟唐聰
        水利水電快報 2019年11期

        曾渝 周曉 黎炎慶 涂盟 唐聰

        摘要:懸移質(zhì)含沙量大小受泥沙來源、暴雨強(qiáng)度、河床沖刷及不同水系河流來水相互滲透等多種因素的影響,其測驗一直是水文巡測的難點(diǎn)。懸移質(zhì)含沙量分布測驗結(jié)果應(yīng)能反映含沙量的變化過程,有利于掌握其輸移量、各種特征值及在時間上的變化規(guī)律。分析了2004~2018年南咀水文站懸移質(zhì)含沙量測驗結(jié)果及肖家灣(二)站與南咀站水位落差變化過程的相應(yīng)關(guān)系,根據(jù)水位落差過程線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn),提取對應(yīng)懸移質(zhì)含沙量。分析結(jié)果滿足水文資料整編成果精度要求。通過水位落差與懸移質(zhì)含沙量的關(guān)系合理調(diào)整測驗測次分布,既能及時掌握懸移質(zhì)含沙量在天然河流中的變化過程,又能突破傳統(tǒng)按期取樣采集方法的限制,顯著減少沙峰過程中的測驗次數(shù),可降低勞動強(qiáng)度。

        關(guān)鍵詞: 懸移質(zhì)含沙量;含沙量測驗;含沙量分布;水位落差;南咀水文站

        中圖法分類號:P333.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.003

        1 研究背景

        南咀水文站位于湖南省沅江市南咀鎮(zhèn)南咀村,是控制松滋河、虎渡河、澧水、沅水經(jīng)西洞庭湖湖口(北端)流入南洞庭湖水情的國家一類精度水文站,其地理位置見圖1。該站上游約19 km處設(shè)有肖家灣(二)站,是監(jiān)測松虎合流入湖前水位變化情況的基本水位站;松滋河與虎渡河匯合在該站的基本水尺斷面上游約17.5 km,下游約1 km處松虎合流與澧水匯合成松澧洪道。

        南咀水文站的水位流量、含沙量關(guān)系受多種因素綜合影響,其中澧水、長江來水的影響以洪水漲落為主,湘、資水則受變動回水及頂托影響,沅水部分水量經(jīng)目平湖由該斷面流出,具有明顯的湖泊調(diào)節(jié)特性。

        2003年后,因河道治理和水庫工程建設(shè),改變了河段及洞庭湖區(qū)河流的水沙特性,懸移質(zhì)含沙量明顯減小,經(jīng)歷史資料分析確定南咀站枯季(1~3月、12月)懸移質(zhì)輸沙量停測,每逢年份尾數(shù)為0和5時進(jìn)行實(shí)測。采用肖家灣(二)站的水位減南咀站水位得出的水位落差與歷年實(shí)測懸移質(zhì)含沙量繪制相應(yīng)關(guān)系圖,比對分析相應(yīng)變化過程,掌控天然河流中懸移質(zhì)含沙量運(yùn)動特性及規(guī)律變化過程。

        2 懸移質(zhì)含沙量測驗分析

        2.1 測次確定原則

        根據(jù)GBT 50159-2015《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》第4.2.1條規(guī)定[1],開展懸移質(zhì)含沙量測驗。1a內(nèi)單樣含沙量的測次分布以“能控制含沙量的變化過程,滿足推算逐日平均含沙量、輸沙率的特征值的需要”為原則。非汛期含沙量相對較小,測次可適當(dāng)減少;在水情變化的峰頂、峰谷附近適當(dāng)增加測次。

        2.2 含沙量與水位落差分析

        根據(jù)2004~2018年南咀水文站水位月報與肖家灣(二)站水位自記資料計算水位落差,制作以時間為橫軸,水位落差與實(shí)測懸移質(zhì)含沙量為縱坐標(biāo)的關(guān)系過程線圖。南咀水文站上游懸移質(zhì)含沙量主要來源于澧水和長江流域,沅水流域河流中的懸移質(zhì)含沙量對南咀斷面影響較小。澧水流域4~8月水位暴漲暴落,水位落差與懸移質(zhì)含沙量無穩(wěn)定的固定關(guān)系,但每次洪水的水位落差增大時懸移質(zhì)含沙量逐漸呈現(xiàn)相對增大趨勢。長江流域受三峽水庫泄洪沖沙調(diào)蓄作用,懸移質(zhì)含沙量與水位落差呈反?,F(xiàn)象,主要集中在7,8月之間,具體年份有2004,2007,2009,2010,2012,2013年和2018年。除2018年長江上游50 a一遇的特大洪水之外,大部分泄洪沖沙調(diào)蓄過程中略有水位落差變動。本文以2018年為例,分析南咀站水位落差與實(shí)測懸移質(zhì)含沙量變化過程關(guān)系(見圖2)。

        2018年4月1日至7月7日,澧水、沅水河流相接二次大的洪峰過程,水位落差變幅為0.08~0.89 m,懸移質(zhì)含沙量在0.030~0.316 kg/m3之間,懸移質(zhì)含沙量隨水位落差的變化同步相對穩(wěn)定。同年7月8~19日,三峽水庫遇長江第1號洪水洪峰,首次開閘泄洪,水位落差在0.86~0.73 m之間迂回,澧水與長江來水匯合后相互滲透,懸移質(zhì)含沙量上下波動,變幅為0.204~0.331 kg/m3。7月20~29日,受長江第2號洪水特大洪峰影響,三峽水庫進(jìn)行泄洪,同時實(shí)施沙峰排沙調(diào)度,此次沙峰過程懸移質(zhì)含沙量與落差變動異常,2018年南咀水文站水位落差與懸移質(zhì)含沙量測點(diǎn)關(guān)系如圖3所示。

        水位落差從0.70 m波動降至0.56 m, 最大懸移質(zhì)含沙量出現(xiàn)在7月22日(0.622 kg/m3),最小懸移質(zhì)含沙量在7月29日(0.199 kg/m3),水位落差較小,分別為0.60 m和0.59 m,而懸移質(zhì)含沙量變化較大,水位落差與懸移質(zhì)含沙量在三峽水庫人工調(diào)節(jié)后出現(xiàn)異常。7月30日至11月30日綜合來水中懸移質(zhì)含沙量隨水位落差同時發(fā)生相應(yīng)變化,最大水位落差0.71 m,最大懸移質(zhì)含沙量0.157 kg/m3,懸移質(zhì)含沙量基本隨水位落差漲落變化。?

        從圖3可以看出,全年測點(diǎn)含沙量按時間分布大致分為3個部分。

        (1)4月1日~7月19日。測點(diǎn)泥沙主要來自澧水流域,7月8日后一部分來自于長江。根據(jù)水位落差與懸移質(zhì)含沙量作趨勢線,水位落差小于0.70 m時,懸移質(zhì)含沙量在趨勢線附近,懸移質(zhì)含沙量在0.15 kg/m3以下。水位落差與懸移質(zhì)含沙量關(guān)系較穩(wěn)定,趨勢線呈平直狀態(tài),水位落差大于0.70 m時,懸移質(zhì)含沙量變幅大,趨勢線呈指數(shù)上升。

        (2)7月20日~7月29日。在三峽水庫泄洪排沙調(diào)度過程中,水位落差從0.71 m減小到0.59 m。20~22日,懸移質(zhì)含沙量變幅從0.265 kg/m3增至0.622 kg/m3。22日以后,水位落差在0.56~0.61 m之間波動,懸移質(zhì)含沙量再逐漸減小到0.199 kg/m3,形成一個較大的沙峰過程,測點(diǎn)懸移質(zhì)含沙量位于趨勢線上方,改變了水位落差與懸移質(zhì)含沙量變化趨勢的規(guī)律。

        (3)7月30日~11月30日。測點(diǎn)懸移質(zhì)含沙量相對上半年偏小,泥沙來源于澧水和長江,測點(diǎn)懸移質(zhì)含沙量均低于趨勢線以下,但水位落差與懸移質(zhì)含沙量保持相應(yīng)變化關(guān)系。

        2004~2018年,懸移質(zhì)含沙量與水位落差變化基本同步。當(dāng)水位落差遞增時,懸移質(zhì)含沙量相應(yīng)增大;落差減小時,懸移質(zhì)含沙量相應(yīng)減小,最大水位落差0.99 m,實(shí)測懸移質(zhì)含沙量主要集中在0.006~1.09kg/m3之間。受來水影響,每年主汛期洪水水位變化過程與懸移質(zhì)含沙量變化不完全相同,懸移質(zhì)含沙量與水位落差關(guān)系主要受3種因素影響:①在一次大的洪峰過程中,與多股河道洪峰交疊或頂托時,落差增長率變緩,懸移質(zhì)含沙量相應(yīng)減小,導(dǎo)致懸移質(zhì)含沙量在最大落差之前出現(xiàn)最大懸移質(zhì)含沙量;②受葛洲壩、三峽水庫沖沙泄洪影響,沙峰反應(yīng)時間長,水位與水位落差同時緩慢下降、減小,含沙量隨之呈現(xiàn)相反脈動遞增現(xiàn)象,最大懸移質(zhì)含沙量往往出現(xiàn)在最大落差之后,整體含沙量變化過程滯后;③懸移質(zhì)含沙量變化受洪水脈動影響,含沙量較大時,在斷面上橫向和縱向分布比較明顯[2-4]。

        3 測次布置與統(tǒng)計

        根據(jù)各年南咀站水位落差與實(shí)測懸移質(zhì)含沙量測次分布圖,在水位落差過程線的每個轉(zhuǎn)折點(diǎn)處摘錄所對應(yīng)的測點(diǎn)含沙量,轉(zhuǎn)折處無對應(yīng)的含沙量時,采用鄰近測點(diǎn)。懸移質(zhì)含沙量較大時,在水位落差峰頂峰谷附近,適當(dāng)增加測點(diǎn)含沙量分布測次,即峰頂峰谷的前后各布置一個測點(diǎn)。在三峽水庫沖沙泄洪過程中,由于含沙量變化與水位落差波動,采用全摘錄,重新組合摘錄含沙量測點(diǎn)錄入水文資料整編系統(tǒng)——南方片程序2.0版中運(yùn)算,計算懸移質(zhì)含沙量年月各特征值,比較新篩選統(tǒng)計的懸移質(zhì)含沙量特征值與原測驗方案的特征值。

        3.1 年特征值誤差統(tǒng)計

        根據(jù)落差分析,以提取摘錄的懸移質(zhì)含沙量重新整編運(yùn)算結(jié)果為新方案。與歷年整編結(jié)果為原方案統(tǒng)計對比分析,整編結(jié)果主要包含年最大日平均輸沙率、最大斷面平均含沙量及出現(xiàn)的日期、年平均含沙量、年平均輸沙率和輸沙量。統(tǒng)計結(jié)果見表1~2。

        3.2 測次統(tǒng)計

        懸移質(zhì)含沙量以落差法摘錄后的測次數(shù)作為新方案與原方案統(tǒng)計比較,結(jié)果見表3。

        4 結(jié) 語

        根據(jù)水位落差分析方案誤差統(tǒng)計結(jié)果,年最大日平均輸沙率、年最大斷面平均含沙量與原方案保持一致。年平均含沙量、年平均輸沙率及年輸沙量的相對誤差均小于3%,各項誤差均在誤差允許范圍之內(nèi)。從表1~3可以看出,采用水位落差分析方案比原方案測次布置明顯減少,使懸移質(zhì)含沙量測驗布置更為合理。該方法改善了原來盲目水樣采集和固定天數(shù)采樣時間的不足,增強(qiáng)了測驗人員對水位落差和三峽水庫開閘泄洪排沙調(diào)度的關(guān)注,降低了測驗工作的勞動強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)成本。

        參考文獻(xiàn):

        [1] GB T50159-2015 河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范[S].

        [2] 趙志貢,榮曉明,菅浩然,等. ?水文測驗學(xué)[M]. 鄭州:黃河水利出版社,2014.

        [3] 王昌杰. 河流動力學(xué)[M]. 北京:人民交通出版社,2001.

        [4] 沈冰,黃紅虎. ?水文學(xué)原理(第二版)[M]. 北京:中國水利水電出版社,2015.

        (編輯:唐湘茜)

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