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        山區(qū)河流造床流量計算探討

        2019-10-14 00:44:56
        人民長江 2019年9期
        關(guān)鍵詞:輸沙山區(qū)峰值

        (四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,四川 成都 610041)

        造床流量是河道造床過程與多年流量過程的結(jié)合產(chǎn)物,是一種長期的平均效應(yīng),對河床形態(tài)起著控制作用。其本質(zhì)上同河道來水量及其過程和與之相應(yīng)的來沙量及其過程相關(guān)。需要注意的是,造床流量不是最大洪水流量,因為這種流量作用時間短;它也不是枯水流量[1],因為這種流量又過小。因此造床流量是一個偏大但又并非最大的流量[2]。合理確定造床流量[3],對河道整治規(guī)劃設(shè)計,穩(wěn)定河寬的確定以及沖刷深度的計算有著重要幫助。實際工作中常采用馬卡維也夫法和平灘流量法確定造床流量。此外,還有一些經(jīng)驗方法,如黃河水利委員會水利科學(xué)研究所研究得出的造床流量和多年汛期平均流量的關(guān)系方程[4];吳保生等[5]指出,平灘流量不能簡單地與造床流量混為一談。然而對于少沙河流,平灘流量與造床流量卻比較接近[6],如長江中下游各河段造床流量與平灘流量是基本一致的[7]。

        這些研究成果普遍只適用于平原丘陵地區(qū)的沙質(zhì)河道。目前,對山高坡陡,自然比降大的山區(qū)河道的研究還不充分,特別是河道巖坡及兩側(cè)大多屬于沖積層的情況下,大都存在土層厚、土質(zhì)松散、岸坡較陡的現(xiàn)象[8],造床流量在工程設(shè)計應(yīng)用中往往存在偏差。因此本文以黑水河下游為例,探討適應(yīng)山區(qū)河流造床流量的計算方法。

        1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于四川省阿壩州境內(nèi),海拔均在1 500 m以上,具有地質(zhì)條件多變,氣候條件惡劣等特點。黑水河地處橫斷山脈中段北端,岷山與邛崍山交匯處,全長122 km,流域面積7 240 km2,水系呈羽狀發(fā)育。河流穿行于崇山峻嶺之中,下游河段河谷較為開闊,多呈“U”型,河谷兩岸高山植被稀疏,歷史上曾發(fā)生多次崩塌滑坡泥石流,因而河底多碎塊石、卵石和漂石。河岸土層較厚,植被以灌木為主,灘地多集中于右岸,河道較為順直但存在少數(shù)不規(guī)則邊坡改變河流的流態(tài)。黑水河流域及下游河道見圖1~2。

        2 造床流量的多種計算方法

        根據(jù)造床流量的相關(guān)研究,計算方法主要為馬卡維也夫法、平灘流量法、洪峰頻率法3種。本文旨在分析水流與河床相互作用達到穩(wěn)定狀態(tài)下的造床流量,以建立河相關(guān)系,故盡可能選取長系列資料來進行計算。研究區(qū)有一處水文站-沙壩水文站,該站記錄有1956~2017年共62 a的年洪峰流量、輸沙率、徑流等資料,用這些資料進行相關(guān)計算。

        圖2 黑水河下游河道Fig.2 Channel of lower Heishui River

        2.1 馬卡維也夫法

        馬卡維也夫法[9]是把分析時段內(nèi)的日流量劃分成一系列的等區(qū)間;確定落入每一區(qū)間的流量次數(shù)占整個分析時段內(nèi)觀測次數(shù)的頻率P,并計算落入每一區(qū)間的流量系列的平均值Q,見圖3。

        由每一區(qū)間的Q,根據(jù)水位流量關(guān)系反推水位,再參考斷面平灘水位,確定各流量區(qū)間相應(yīng)的灘地作用系數(shù)σ;河道比降J可通過Q-J曲線查得也可實測得到;m為指數(shù)(詳見2.1.1)。最后計算每一流量區(qū)間的造床流量作用值σQmJP;點繪系列Q和σQmJP關(guān)系曲線,曲線峰值對應(yīng)的流量即造床流量。

        圖3 各頻率下Q平均值Fig.3 Average Q value at each frequency

        2.1.1m值的確定

        馬卡維也夫法中的m值源于水流輸沙率Qs和流量Q,根據(jù)有關(guān)研究[10],可采用多年月均流量與多年月均輸沙率關(guān)系確定m值。統(tǒng)計分析表明,黑水河下游多年月均Qs~Q之間相關(guān)關(guān)系較好,表1為多年各月平均輸沙率與流量。

        表1 多年各月平均輸沙率與流量Tab.1 Monthly average sediment transport rate and runoff over years

        圖4為沙壩站多年月均輸沙率與多年月均徑流量的關(guān)系曲線,其中R2=0.88,擬合度較好。由此得到m值為3.227 5。

        圖4 沙壩站流量-輸沙率關(guān)系曲線Fig.4 Flow-sediment transport rate curve at Shaba station

        2.1.2馬卡維也夫法計算結(jié)果

        本例中σ值取1,J取0.003 56,m為3.227 5,將圖3中的Q和P代入公式σQmJP得到沙壩站的σQmJP-Q曲線,見圖5。

        圖5 沙壩站σQmJP-Q關(guān)系曲線Fig.5 σQmJP-Q curve of Shaba station

        圖5的關(guān)系曲線存在兩個明顯的主峰,以“峰值1”和“峰值2”表示。這在研究區(qū)其他水文站的計算中也有類似現(xiàn)象,只是峰值1有時并不是σQmJP的最大值。因此峰值序號與峰值大小無關(guān),而是指若干主峰出現(xiàn)次序。

        由圖5可以看出,山區(qū)河流流量-輸沙率關(guān)系曲線擬合度較平原地區(qū)弱[11],用馬卡維也夫法計算造床流量時m取值一般大于平原地區(qū)(平原地區(qū)m取2[12])。這是由于山區(qū)河道比降大,導(dǎo)致的輸沙率較高,以及輸沙率對流量的響應(yīng)較為敏感,同時山區(qū)徑流量的波動較大(本例所選資料的Cv為0.79)。

        取圖5曲線中兩個峰值所對應(yīng)的流量221,338 m3/s作為計算結(jié)果。

        2.2 平灘流量法

        平灘流量通常指某一斷面的水位與灘唇齊平時通過該斷面的流量,平灘流量值取決于來水來沙條件和斷面的形態(tài)。具體方法為:首先根據(jù)水文站每年實測大斷面資料確定灘唇的高程從而確定平灘水位,再根據(jù)當(dāng)年水位流量關(guān)系曲線確定平灘水位對應(yīng)的流量,作為平灘流量。

        為便于研究,將黑水河下游河段設(shè)立的11個斷面,記為CS1~CS11,各斷面的歷年平均平灘流量見表2。

        從表2中可以看出,各斷面平灘流量差異較大,這是因為各斷面地貌形態(tài)不同,如CS11、CS10、CS6等斷面因為河道較寬,平灘流量顯著偏大。因此使用這種方法應(yīng)謹慎,因為山區(qū)河道往往并不順直,犬牙交錯的邊灘對平灘流量計算的影響較大。

        取各斷面平灘流量的平均值957 m3/s作為該河段的整體平灘流量,這相當(dāng)于該水文站處10%~20%頻率下的洪峰流量。

        表2 黑水河下游平灘水位高程和平灘流量Tab.2 Water level and flow at beach elevation in the lower Heishui River

        2.3 洪峰頻率法

        在一些研究和工程設(shè)計中,通常使用2 a一遇洪峰流量來代替造床流量??捎盟恼径嗄晗盗心曜畲蠛榉辶髁壳蟮迷摵佣螌?yīng)頻率下的流量,將62 a的洪峰流量降序排列,根據(jù)序號和歷史洪水計算出每個流量值的頻率,點繪至頻率格紙上得到經(jīng)驗點據(jù),由此計算出平均值、變差系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)并得到皮爾遜Ⅲ型理論曲線[13],調(diào)整參數(shù)使理論曲線適應(yīng)經(jīng)驗點據(jù),見圖6。

        通過理論曲線查得2 a一遇頻率(50%)下的洪峰流量。本例中為739 m3/s。

        圖6 洪峰頻率法P-Ⅲ型曲線Fig.6 P-Ⅲ curve of Peak Frequency Method

        3 結(jié)果驗證

        為探討何種方法最適用于計算山區(qū)河流造床流量,本文采用穩(wěn)定河寬這一指標(biāo)來檢驗。穩(wěn)定河寬是河勢穩(wěn)定計算中的重要指標(biāo),本文提出用歸一化方法來比較計算得到的穩(wěn)定河寬是否與現(xiàn)有河道寬度相符[12],來判別哪種方法最優(yōu)。穩(wěn)定河寬計算公式為

        Bs=KQ6/11/(n32/33·J3/11)

        (1)

        式中,Bs為橫向穩(wěn)定河寬,m;系數(shù)K取1/10030/33;Q為造床流量,m3/s;J為比降,本例中取0.003 56;n為糙率,本例中取0.04。

        歸一化方法為

        (2)

        式中,Bmin和Bmax分別代表實際河道最窄處和最寬處的寬度,本例中Bmin取30 m,Bmax取60 m。

        由3種方法得到的黑水河下游造床流量及其對應(yīng)的穩(wěn)定河寬和α值見表3。

        表3 3種方法計算的造床流量、穩(wěn)定河寬、α值Tab.3 Calculated flow rate of stoma, width of stable river and value of α by three methods

        通常穩(wěn)定河寬不會大于河道最大寬度,且根據(jù)歷史資料,黑水河下游河勢較穩(wěn)定,即α值應(yīng)介于0到1并靠近0為宜。從表2可知:平灘流量法和洪峰頻率法計算的穩(wěn)定河寬和α值顯著偏大,不符合實際情況。馬卡維也夫法的計算結(jié)果最接近實際值,并且用峰值1對應(yīng)的流量計算的結(jié)果要好于峰值2的計算結(jié)果。因此針對山區(qū)河流,應(yīng)考慮用馬卡維也夫法峰值1對應(yīng)的流量來進行河勢穩(wěn)定分析。

        在一些研究中[12],偶見用多年平均年徑流量來代替造床流量,用該地區(qū)多年平均年徑流量(140 m3/s)計算的α值為0.208,與馬卡維也夫法峰值2對應(yīng)的流量計算的α值接近。因此,在山區(qū)用多年平均年徑流量代替造床流量也是可行的,同時也簡化了計算流程。

        幾種方法的對比結(jié)果見表4。

        表4 幾種方法的對比Tab.4 Comparison of several methods

        4 結(jié) 論

        本文旨在從3種不同造床流量的計算方法中找出較適用于山區(qū)河流造床流量的計算方法。對造床流量求得的穩(wěn)定河寬與實際河寬進行歸一化處理,取得主要成果如下。

        (1) 馬卡維也夫法σQmJP-Q關(guān)系曲線峰值1對應(yīng)的流量最接近實際造床流量,因此該法在山區(qū)河勢穩(wěn)定分析中值得推廣。同時發(fā)現(xiàn)該法中山區(qū)流量-輸沙率關(guān)系曲線擬合度較平原地區(qū)弱,山區(qū)m值也普遍大于平原地區(qū)[13-14]。

        (2) 可考慮用山區(qū)多年平均年徑流量代替造床流量,以簡化計算流程[15]。

        馬卡維也夫法對資料的要求較高,而山區(qū)河流往往缺乏資料,如何優(yōu)化該算法以降低過多資料的依賴還需要學(xué)者進一步研究。

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