王春陽
(甘肅省隴南水文水資源勘測局,甘肅 成縣 742500)
永寧河干流發(fā)源于西秦嶺南麓,徽縣西北部大山的東南坡[1],源地海拔2064.8 m,屬嘉陵江上游一級支流,位于甘肅省徽縣東部,流域面積2177 km2,河流全長約170 km。流經(jīng)天水市娘娘壩、李子園、黨川、隴南市徽縣高橋、柳林、永寧鎮(zhèn)、于徽縣嘉陵鎮(zhèn)田家河村注入嘉陵江。永寧鎮(zhèn)水文站位于徽縣永寧鎮(zhèn),距下游河口(嘉陵江)約19 km,該站屬省級一般水文站,測驗(yàn)項(xiàng)目主要有降水量、蒸發(fā)量(E601及20 cm口徑蒸發(fā)同步觀測)、水位、流量、含沙量(包括單樣含沙量及輸沙率)、定點(diǎn)洪水調(diào)查。永寧鎮(zhèn)水文站位置見圖1。
圖1 永寧鎮(zhèn)水文站位置示意圖
含沙量的分布形式與河床性質(zhì)、斷面形狀及河道形勢、泥沙粒徑及上游來水情況等各項(xiàng)因素有關(guān)[2]。斷面的穩(wěn)定與否,對輸沙率的影響很大,點(diǎn)繪該站近十年的大斷面變化圖(見圖2),可以看出,測驗(yàn)斷面相對穩(wěn)定,沖淤變化小。
圖2 永寧鎮(zhèn)水文站大斷面沖淤變化圖
該站降水量主要來自汛期,對該站年降水量資料統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),年內(nèi)分配極不均勻,其特點(diǎn)是每年5月~9月雨量高度集中,約占全年降水的80%左右。春季和冬季降水少而不穩(wěn)定,主汛期6月~8月降水量占全年降水量的68.5%;降水量的年際變化相對較小,多年平均降水量693.8 mm,而多年平均蒸發(fā)量為750.0 mm,遠(yuǎn)大于年降水量。降水年內(nèi)分配見表1,降蒸對比見圖3。
圖3 永寧鎮(zhèn)站降水蒸發(fā)量趨勢對比圖
表1 永寧鎮(zhèn)站降水量年內(nèi)分配表 單位:mm
利用多項(xiàng)式對徑流變化進(jìn)行分析,徑流量呈現(xiàn)有規(guī)律的高頻振蕩[3]。由于雨水主要集中在5月~10月,期間多發(fā)生山溪性洪水,常挾帶大量泥沙,含沙量在這段時(shí)間最為集中。在主汛期,徑流量占多年平均徑流量的76.2%,該站多年平均年徑流量為4.12億m3。受降水量分配影響,徑流量具有年內(nèi)分配不均、年際變化大的特點(diǎn)。該站歷年最大流量1860 m3/s,流量過程與降水量過程基本相應(yīng),最小流量為0.46 m3/s。從圖4可以看出,該站年徑流量呈現(xiàn)逐年減小的趨勢。
圖4 永寧鎮(zhèn)站年徑流變化趨勢圖
該站及上游均屬山地丘陵旱作農(nóng)業(yè)區(qū),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是永寧河含沙量的主要來源。斷面泥沙主要來源于中上游,源地屬黃土高原向秦嶺的過渡地帶,加上中上游農(nóng)田大量開墾,植被遭到很大破壞,土壤侵蝕嚴(yán)重。根據(jù)泥沙長系列資料計(jì)算,多年平均含沙量為1.96 kg/m3,主要出現(xiàn)在6月~9月。由于降水徑流的年內(nèi)分配不均,導(dǎo)致輸沙量年內(nèi)分配極不均勻。多年平均含沙量最大值為12.8 kg/m3,最小值僅為0.063 kg/m3,倍比203,相差懸殊;多年平均輸沙率為31.7 kg/s,最大輸沙率為271 kg/s,最小值僅為0.39 kg/s,倍比694.9;輸沙量方面,多年平均輸沙量為100萬t,年最大輸沙量855萬t,最小為1.2萬t,倍比713,年際變化大,輸沙率平均侵蝕模數(shù)490.5 t/km2,點(diǎn)繪輸沙量與年含沙量的變化對比曲線,輸沙量年內(nèi)分配與含沙量保持一致,輸沙量年內(nèi)分配極不均勻,主要出現(xiàn)在主汛期(6月~9月),期間輸沙量占全年的93%;沙峰持續(xù)時(shí)間短、分配不均、變化幅度大是該站泥沙的主要特性。近十年來,天保工程的實(shí)施,加之徑流量減小,河流挾沙能力減弱[4],含沙量呈逐年減小的趨勢。
輸沙率采用瓶式采樣器取樣,過濾法處理,施測流量時(shí)采用積深法取樣,同時(shí)計(jì)算單樣含沙量。由于河道情況特殊,在測驗(yàn)斷面布設(shè)4條采樣垂線,分別是起點(diǎn)距35.0 m、40.0 m、45.0 m、50.0 m處,分析計(jì)算各條垂線單樣含沙量,再利用單樣含沙量推求懸移質(zhì)斷面平均輸沙率及斷面平均含沙量,測驗(yàn)過程比較繁瑣。為了簡化程序,提高工作效率,采用多年來的輸沙率變化規(guī)律,率定出斷面平均含沙量與單樣含沙量之間的關(guān)系,用單位含沙量直接推算斷面平均含沙量。
《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》(GB/T 50159-2015)[5]規(guī)定:采用積深法測定垂線平均含沙量,應(yīng)按下式計(jì)算斷面輸沙率及含沙量。
Qs=Csm1q0+q1(Csm1+Csm2)/2q1+q2(Csm1+Csm2)/2
+…+qn-1(Csmn-1+Csmn)/2+Csmnqsmn)
(1)
Cs=Qs/Q
(2)
式中:Qs為過水?dāng)嗝鎯?nèi)的懸移質(zhì)輸沙率;Csm1為第一條采樣垂線的平均含沙量;Csm2為第二條采樣垂線的平均含沙量;Cs為斷面上某一測點(diǎn)的單樣含沙量;qn為部分流量。
按照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》的規(guī)定[5],測沙垂線一般不少于5條,有較大洪水時(shí)垂線布設(shè)多達(dá)10條以上。由于徑流量主要在5月~10月,輸沙率也相應(yīng)的此期間測驗(yàn),每年取樣一般不少于15次,在計(jì)算分析時(shí),嚴(yán)格按照上述規(guī)范的要求進(jìn)行。本次選取該站2009年~2019年11年共60次輸沙率測驗(yàn)資料進(jìn)行單斷沙關(guān)系分析,資料來源于永寧鎮(zhèn)水文站輸沙率實(shí)測資料,并已整編為成果。所選取的資料變化規(guī)律相似,代表性較強(qiáng)。實(shí)測輸沙率成果表見表2。
表2 永寧鎮(zhèn)站單斷沙測驗(yàn)成果表 單位:kg
斷面平均含沙量與某一垂線的單樣含沙量具有一定的關(guān)系[6]。在現(xiàn)行的單斷沙關(guān)系分析上,主要采用的是相關(guān)分析法。點(diǎn)繪該站近十年的單斷沙綜合關(guān)系曲線見圖5。由圖5可以看出,單斷沙綜合關(guān)系曲線和歷年關(guān)系曲線基本重合,采用一元回歸曲線對單斷沙關(guān)系曲線進(jìn)行分析,分析結(jié)論能達(dá)到要求。按照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》的規(guī)定,分析時(shí),將這11年60次輸沙率實(shí)測資料按含沙量大小分成10個(gè)量級,量級劃分見表3,計(jì)算得相關(guān)系數(shù)R2=0.9998,分析出歷年綜合單斷沙關(guān)系換算系數(shù)0.9964。經(jīng)過推沙結(jié)果驗(yàn)算,換算系數(shù)精度能滿足要求。
表3 實(shí)測輸沙率按沙量分級 單位:kg/m3
圖5 永寧站歷年單斷沙關(guān)系綜合線
各年泥沙整編采用換算系數(shù)與綜合單斷沙關(guān)系換算系數(shù)誤差分析見表4。按照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》要求,如果偏離誤差在±5%以內(nèi),說明本次分析的換算系數(shù)滿足要求。經(jīng)過表4中的誤差分析統(tǒng)計(jì),且與歷年綜合單斷沙關(guān)系比較,歷年單斷沙關(guān)系線與綜合關(guān)系線偏差均在1%以內(nèi),由于資料整編普遍采用《南方片資料整編軟件5.0版本》,在做含沙量計(jì)算時(shí),基于最小二乘法原理[7]計(jì)算的,所以本次分析出的單斷沙關(guān)系換算系數(shù)精度較高,換算系數(shù)可取K=0.9964。
表4 單斷沙換算系數(shù)誤差分析
通過對永寧鎮(zhèn)水文站的單斷沙關(guān)系分析,將該站近十年來的輸沙率資料進(jìn)行計(jì)算,得出該站單斷沙關(guān)系換算系數(shù),利用分析得出的系數(shù)進(jìn)行推沙計(jì)算,結(jié)果表明:單斷沙關(guān)系相關(guān)性較好,按照《河流泥沙測驗(yàn)規(guī)范》的要求,換算系數(shù)符合規(guī)范規(guī)定,《水文巡測規(guī)范》(SL 195-2015)[8]規(guī)定:如果經(jīng)分析計(jì)算,該站輸沙率達(dá)到規(guī)范規(guī)定的要求,那么該站輸沙率可以實(shí)行間測或者停測。建議:永寧鎮(zhèn)水文站輸沙率停測,只測單樣含沙量。利用換算系數(shù)推沙,可作為永寧鎮(zhèn)水文站輸沙率實(shí)行停測的基本依據(jù),達(dá)到解放人力、提升工作效率的作用。