蒙雅雯 崔建和

(黃河水利委員會西峰水文水資源勘測局，甘肅 慶陽 745000)

1 研究背景

基層水文站基本處于偏遠地區(qū)，在站駐測存在諸多不便。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，常規(guī)的水文測驗方式已經(jīng)不能滿足社會需要。為了更好地解放人力，提升測報能力，不斷探索新的測驗技術(shù)及方式，是時代發(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，在水文測驗工作中占很大比例，泥沙測驗方式的優(yōu)化，可以在很大程度上達到解放人力、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，對泥沙監(jiān)測方式的改革進行了探討，從而大大減少了測驗工作中人力的投入；劉東生等[2]對長江流域水文站測驗方案進行了創(chuàng)新設(shè)計，研究認為應積極倡導新儀器、新設(shè)備，實現(xiàn)水文站測驗方式現(xiàn)代化，該方案通過幾年的實踐證明是可行的，為水文測驗工作方法的創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐；王俊[3]認為水位、流量已經(jīng)實現(xiàn)了現(xiàn)代化測驗，如何提高泥沙測驗技術(shù)將是難點，并通過大量的探索與實踐，不斷對泥沙測驗方式進行優(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)《水文巡測規(guī)范》(SL 195—2015)[5]對水文測驗改革提出了新的方式，但在泥沙測驗方式、新設(shè)備使用方面的研究有所欠缺；王晶娥[6]對彰武水文站的測沙垂線進行了分析精簡，從原來的15條垂線精簡為6條，通過實踐證明，精度能達到《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》(GB/T 50179—2015)[7]要求；部分學者[8-13]對涇河流域及其支流的徑流、降水量、蒸發(fā)量、水資源量進行了研究，但在泥沙測驗方式優(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者研究的基礎(chǔ)上，對泥沙測驗次數(shù)進行精簡，推算方法進行改進，并提出新的優(yōu)化方案，推動該站在水文測驗中由傳統(tǒng)的常年駐測逐步向巡測方向轉(zhuǎn)變。

2 測站概況

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，是國家三類精度水文站，設(shè)于涇河一級支流洪河下游，距河口(涇河)12km。區(qū)域內(nèi)洪水主要來源于洪河干支流，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，類似羽形，屬山溪性河流，河道縱比降大。

2.1 斷面情況

測驗河段為巖石河床，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，總體來說，斷面相對穩(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，暴雨時兩溝洪水兇猛，對該斷面測驗構(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 泥沙測驗方式優(yōu)化研究

3.1 資料的選用

由于紅河水文站2008年以前沒有測流纜道，洪水期基本采用均勻浮標和中泓浮標測流，由于基本斷面下游700m處修建的一小型涵洞水壩對水流有頂托作用，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，通過植樹造林，水土保持狀況良好，因此選用2009—2018年的資料進行泥沙測驗方式優(yōu)化分析，對選定的流量系列資料進行一致性分析，保證集水區(qū)域內(nèi)下墊面、人類活動對河道斷面的影響、測站控制條件基本一致，并進行可靠性分析。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)洪峰劃分標準[14]，結(jié)合資料實際情況，對節(jié)選的洪水場次進行劃分，小洪水：Q<50m3/s；中洪水：50m3/s≤Q<300m3/s；大洪水：Q≥300m3/s。

因近年來一直屬于枯水年，流量較小，因此，只有小洪水和中洪水。對選取的洪水場次進行徑流量及輸沙量的計算，并分別點繪小洪水、中洪水節(jié)選場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)系點據(jù)散亂，相關(guān)關(guān)系不好，無明顯規(guī)律可循。從流量大小上看，Q<50m3/s時，輸沙量大部分小于10萬t，由于流量較小，對流域的沖刷作用小，泥沙大部分來自河床；50m3/s≤Q<300m3/s時，流量增大，水流挾沙能力增大，泥沙來自流域沖刷和河床，輸沙量相對增大。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、人類活動等因素有關(guān)，由于各因素的綜合影響，徑流量與輸沙量兩者的變化相對獨立，有時徑流量小輸沙量反而大，有時徑流量大輸沙量反而小。綜上所述，一場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，是黃河的二級支流。在水沙特性方面與黃河具有高度的一致性。研究認為[15]，黃河流域在洪水演進過程中洪峰與沙峰的相對關(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場洪水中，有8場是洪峰先于沙峰進入涇河河道，占總數(shù)的17.8%，在這種情況下，洪水演進過程中沙峰的傳播時間遠大于洪峰的傳播時間；?洪峰在后沙峰在前，在所統(tǒng)計的洪水中，沙峰先于洪峰匯入涇河河道的有5場，占11.1%，在洪水演進過程中洪峰與沙峰的時差會逐步縮小；?沙峰與洪峰同步(水峰、沙峰相差2h以內(nèi))，在所統(tǒng)計的洪水中共有32場洪水沙峰與洪峰同時到達，占71.1%。2009—2018年紅河水文站水沙過程統(tǒng)計情況見表1。

表1 2009—2018年紅河水文站水沙過程統(tǒng)計情況

由表1可以看出，洪峰與沙峰出現(xiàn)時間一致的場次占統(tǒng)計總場次的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，河道洪水的流動屬于不穩(wěn)定流，洪峰是以波的形式傳播，而泥沙運動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)律極為復雜，因此本文選取洪峰與沙峰同步的場次進行分析研究。

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)漲水時流量與含沙量漲落變化過程基本對應，水流挾沙能力與降水強度、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)系來推求計算洪水含沙量，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為漲水段某瞬時流量；CSt為某瞬時實測斷面平均含沙量;YCS為漲水段含沙量比例系數(shù)。

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

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。由于水流的運動方式與泥沙的運動方式不完全一樣，所以每一場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，計算各個水沙過程中同步的流量、含沙量由起漲到峰頂?shù)钠骄鲩L率，建立流量、含沙量平均增長率關(guān)系，見圖7。

圖7 紅河站流量、含沙量增長率關(guān)系

由圖7可知，紅河水文站流量、含沙量增長率存在一定相關(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與水流流速有一定關(guān)系，一般來說，流量增長越快，流速越大，含沙量增長越快。但其相關(guān)性仍未達到使用標準。

對紅河水文站上游小峴子、平泉、紅河3個雨量站的各個場次洪水相對應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)計情況

表4 紅河站上游雨量站回歸參數(shù)統(tǒng)計

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，說明降水量與徑流量沒有較好的相關(guān)關(guān)系。同理，計算得出的降水量與輸沙量相關(guān)系數(shù)R2=0.160，無相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié) 語

本文基于涇河流域紅河水文站發(fā)生洪水時流量與含沙量漲落變化基本相對應的特性進行研究，選用洪水過程中流量、含沙量對應點的增減變幅比例建立相關(guān)關(guān)系，對紅河水文站泥沙測驗方式進行分析。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、含沙量增長率存在一定的相關(guān)性，但尚未達到使用標準，其具有一定相關(guān)關(guān)系的原因是河流中含沙量的增長與水流流速有一定關(guān)系，一般來說流量增長越快，流速越大，含沙量增長越快，且流速與降水強度一般成正比，降水強度越大，流速越大。因此，建議在下一步研究中加入降水參數(shù)，從降水強度方面再作進一步的分析，研究是否可以建立更好的相關(guān)性。