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(昌吉水文勘測(cè)局,新疆 昌吉 831100)

使用方面工作。

0 引言

石門(mén)水文站是新疆呼圖壁河流域的代表站,自建站以來(lái),水文站承擔(dān)了呼圖壁河水位、流量、泥沙等觀測(cè)項(xiàng)目,為掌握流域水量、水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化和流域水資源評(píng)價(jià)、區(qū)域水文特征和水文規(guī)律研究積累了長(zhǎng)系列水文基礎(chǔ)資料[1]。本文通過(guò)對(duì)石門(mén)水文站觀測(cè)項(xiàng)目測(cè)次和實(shí)施時(shí)機(jī)的精簡(jiǎn)分析,提出在達(dá)到在滿足流量測(cè)驗(yàn)和推算徑流量精度原則下,可以科學(xué)合理地減少水文站測(cè)次,優(yōu)化測(cè)驗(yàn)方法及方式,能極大減輕測(cè)站人員工作任務(wù),提高測(cè)報(bào)工作效率。

1 石門(mén)水文站概況

1.1 測(cè)站布設(shè)位置

呼圖壁河是天山北坡中段第二大河流,河道總長(zhǎng)度176 km。石門(mén)水文站為呼圖壁河區(qū)域代表水文站,屬省級(jí)重要水文站,始建于1977年4月,距昌吉市125 km,地理坐標(biāo)為東經(jīng)86°34′、北緯 43°45′,水文站以上集水面積 1 840 km2,河長(zhǎng) 91 km,測(cè)站高程1 480 m[2]。

1.2 觀測(cè)項(xiàng)目

石門(mén)水文站觀測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1所示。其測(cè)驗(yàn)精度按照類(lèi)別屬于二類(lèi)的為流量和泥沙觀測(cè)。

表1 石門(mén)水文站觀測(cè)項(xiàng)目

1.3 測(cè)站設(shè)施情況

水文站的主要水文設(shè)施及設(shè)備有:雙纜電動(dòng)纜車(chē)、基本水尺、上下比降水尺、主索、副索及纜道[3]。

2 石門(mén)水文站測(cè)驗(yàn)斷面狀況分析

石門(mén)水文站河床由砂礫石、卵石組成,兩岸為砂礫石,河床比較固定。測(cè)驗(yàn)河段較順直,長(zhǎng)約200 m,無(wú)岔流、串溝、逆流、回水、死水等情況?？菟?起點(diǎn)距8～18 m左右處出現(xiàn)漫灘,測(cè)驗(yàn)斷面河流分為兩股水,兩股水流存在橫比降,水位不具有代表性,但不影響流量測(cè)驗(yàn)。河床為砂、礫石組成,無(wú)水生植物,沖淤變化較小?；緮嗝嫦掠?50 m處有急灣作為控制,水位流量關(guān)系較穩(wěn)定。基本斷面左岸為巖石峭壁,右岸為巖石和沉積戈壁砂石混合而成,約為40°陡坡,坡上長(zhǎng)有楊樹(shù)。基本斷面上游0.45 km處有支流白楊溝自左岸匯入,白楊溝口建有小型水電站一座,由于來(lái)水量較小,對(duì)流量無(wú)影響?；緮嗝嫔嫌?.06 km處建有攔河中型(達(dá)拉拜)水電站一座。由于該電站在枯水期以及冰期頻繁啟、閉閘門(mén),蓄水發(fā)電,造成測(cè)驗(yàn)斷面水位人為的有一定規(guī)律的陡長(zhǎng)陡落以及產(chǎn)生大量冰塞或冰壩,影響測(cè)流,所以在冰期選擇臨時(shí)斷面(基上200 m、250 m、350 m)測(cè)流;且每年秋季該電站排沙對(duì)測(cè)驗(yàn)河段沖淤變化有一定影響。當(dāng)石門(mén)水文站發(fā)生較大洪水時(shí),漂浮物較多,對(duì)測(cè)驗(yàn)有一定影響。

沖淤變化主要因上游泥沙隨洪水淤積沖散。點(diǎn)繪2014-2018年大斷面圖,見(jiàn)圖1。從圖1上可以看出,河槽變化不劇烈,河寬變化不大,非汛期主流在左岸,右岸為灘地,斷面為復(fù)式斷面。

圖1 石門(mén)水文站2014-2018年大斷面圖

3 石門(mén)水文站測(cè)次精簡(jiǎn)分析

3.1 測(cè)次調(diào)整方案

石門(mén)水文站冬季結(jié)冰封凍,且冬季要報(bào)水情,所以對(duì)冬季1-3月、10-12月的流量測(cè)次不作調(diào)整,結(jié)合實(shí)際情況,主要對(duì)4-9月的測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)次調(diào)整。原有的觀測(cè)項(xiàng)目及頻次為流量測(cè)次:全年65次;懸移質(zhì)單沙測(cè)次:221次;懸移質(zhì)輸沙率測(cè)次:全年19次(見(jiàn)表2)。提出的新的精減測(cè)次方案為流量測(cè)次:全年47次;懸移質(zhì)單沙測(cè)次:148次;懸移質(zhì)輸沙率測(cè)次:全年14次,詳如表3所示。

表2 石門(mén)站水文測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目原測(cè)次年內(nèi)分配表

表3 石門(mén)站水文測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目精簡(jiǎn)后新的測(cè)次年內(nèi)分配表

3.2 測(cè)次精簡(jiǎn)依據(jù)分析

3.2.1 流量觀測(cè)項(xiàng)目

每年自然界河道來(lái)水在時(shí)空分布上的隨機(jī)性,決定了石門(mén)水文站流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)的不同,一年中的測(cè)流次數(shù),應(yīng)根據(jù)高、中、低各級(jí)水位的水流特性、測(cè)站控制條件、測(cè)驗(yàn)精度、定線推流的要求,以及需求等綜合確定,能夠掌握各個(gè)時(shí)期的水情變化,合理地分布于各級(jí)水位和水情變化過(guò)程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生洪水、枯水超出歷年實(shí)測(cè)流量的相應(yīng)水位時(shí),應(yīng)對(duì)超出部分增加測(cè)次。點(diǎn)繪2014-2018年水位流量關(guān)系見(jiàn)圖2。高水部分,根據(jù)本站測(cè)驗(yàn)設(shè)備狀況,流量超過(guò)150 m3/s以上,都采用中泓浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)方法,因呼圖壁河洪水歷時(shí)較短,故高水流量測(cè)次較少。從圖2中可以看出,中高水部分年際變化不大,主要在沖和淤兩條線上來(lái)回?cái)[動(dòng),說(shuō)明河槽沖淤變化比較有規(guī)律。此階段測(cè)驗(yàn)狀況相對(duì)復(fù)雜,既要施測(cè)到每個(gè)洪水過(guò)程,又要考慮河槽的沖淤變化。應(yīng)視情況增加測(cè)次,來(lái)控制水位流量關(guān)系線的變化。石門(mén)站1977年建站以來(lái),河槽沖淤變化頻繁,河水主流左右擺動(dòng)。斷面年內(nèi)沖淤變化大,故臨時(shí)曲線較多,為了控制流量的變化過(guò)程,近幾年來(lái),石門(mén)站平均每年實(shí)測(cè)流量測(cè)次為65次以上。

圖2 石門(mén)站2014年-2018年水位流量關(guān)系圖

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì),石門(mén)水文站,歷年水位變幅為8.24～9.87 m,歷年平均水位變幅為1.41 m。根據(jù)定線經(jīng)驗(yàn),汛期測(cè)驗(yàn)以0.05 m一個(gè)施測(cè)流量點(diǎn)為流量控制點(diǎn),可以滿足日平均流量計(jì)算、各項(xiàng)特征值統(tǒng)計(jì)、水文資料整編和水情拍報(bào)的要求,流量測(cè)次可控制在47次以上,即可滿足臨時(shí)曲線推流的要求。但還要根據(jù)水情變化情況適當(dāng)增加測(cè)次。本次采用2014-2018年共5 a的水文資料,將每年的實(shí)測(cè)流量根據(jù)低估水及中高水按水位高低排序,根據(jù)本站年徑流量的季節(jié)變化過(guò)程情況、流量級(jí)的劃分及定線要求,在低枯水時(shí),水位變幅在2～5 cm時(shí)隨機(jī)選取測(cè)次,中高水水位變幅在5～10 cm時(shí)隨機(jī)選取測(cè)次,選取時(shí)年最高及最低流量測(cè)次必須選取,分析計(jì)算出精簡(jiǎn)測(cè)次后的年水量總量,然后按《水文巡測(cè)規(guī)范》相關(guān)誤差指標(biāo)規(guī)定進(jìn)行比較。精減后的水位～流量關(guān)系曲線圖見(jiàn)圖3～圖10。從石門(mén)水文站多年水位流量變化過(guò)程來(lái)看,低水位以下,水流平穩(wěn),流量變幅不大,水位流量關(guān)系良好,測(cè)次可酌情減少。在發(fā)生洪水、枯水超出歷年實(shí)測(cè)流量的水位時(shí),對(duì)超出部分增加流量測(cè)次。

圖3 石門(mén)站2014年2線精減后水位流量關(guān)系曲線圖

圖5 石門(mén)站2015年3線精減后水位流量關(guān)系曲線圖

圖7 石門(mén)站2016年8線精減后水位流量關(guān)系曲線圖

圖9 石門(mén)站2017年4線精減后水位流量關(guān)系曲線圖

通過(guò)計(jì)算分析,各年的年總水量誤差符合《水文巡測(cè)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定。經(jīng)精簡(jiǎn)分析后,低枯水時(shí)水位變幅在2～5 cm時(shí)施測(cè)流量一次,中高水時(shí)水位變幅在10～20 cm時(shí)施測(cè)流量一次,全年4-9月施測(cè)流量不少于30次,并且要滿足定線要求。

綜上所述分析,根據(jù)規(guī)范的要求、高洪測(cè)驗(yàn)和年頭年尾流量的銜接,確定本站年內(nèi)流量測(cè)驗(yàn)最少測(cè)次為47次(見(jiàn)表3),在遇特殊年份時(shí),總測(cè)次可在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增減。

3.2.2 懸移質(zhì)泥沙觀測(cè)項(xiàng)目

石門(mén)站根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50159-92)的規(guī)定,確定本站為泥沙二類(lèi)站。點(diǎn)繪歷年日平均輸沙率過(guò)程線圖,見(jiàn)圖11。由圖可見(jiàn),泥沙輸沙率在年內(nèi)分配極不均勻。造成這種結(jié)果的原因是,流域下墊面水蝕輸泥沙和河水侵蝕河槽泥沙為主,春季的融雪和夏季的降水都是泥沙含量大的原因,年內(nèi)降水量較多時(shí),輸沙率也大,徑流量大,相應(yīng)的輸沙率也大,由于從4月份開(kāi)始,泥沙隨氣溫的回升以及暴雨洪水的出現(xiàn),輸沙率呈逐漸遞增趨勢(shì),最大輸沙率一般出現(xiàn)在6月-8月,此后,輸沙率逐漸呈遞減趨勢(shì)。同樣,含沙量分布極不均勻,一般10月-次年3月,河水的含沙量為零,所以,輸沙率及單樣測(cè)次應(yīng)偏重于6-8月。

圖11 石門(mén)站2014-2018年日平均輸沙率圖

單樣含沙量的測(cè)驗(yàn)次數(shù)應(yīng)能控制含沙量變化過(guò)程。本站屬于一日一峰型,單沙每日8時(shí)、20時(shí)取樣兩次,洪水期每次較大洪水不少于5次,含沙量的變化急劇時(shí),在沙峰的起漲、峰頂和落平等轉(zhuǎn)折處均分布測(cè)次;洪峰重疊、水沙峰不一致時(shí)增加測(cè)次;平水期,在水位定時(shí)觀測(cè)時(shí)取樣一次,非汛期含沙量變化平緩時(shí),可每5日取樣一次。枯水期河水清澈見(jiàn)底時(shí),單樣水樣按規(guī)定停測(cè),按零處理。本站全年懸移質(zhì)單沙測(cè)次確定為148次(見(jiàn)表3)。

將2014-2018年單斷沙關(guān)系定綜合線見(jiàn)圖12,其單斷沙綜合系數(shù)為1.000 0,其標(biāo)準(zhǔn)差為6.3、隨機(jī)不確定度為12.6、系統(tǒng)誤差為0.9,符合規(guī)范要求。從圖11、圖12可以看出每年最大輸沙率出現(xiàn)在6-8月,近五年施測(cè)輸沙率61份,其中20 kg/m3的輸沙率測(cè)點(diǎn)5份,因此對(duì)輸沙率測(cè)次進(jìn)行調(diào)整,減少枯水期測(cè)次,仍然可以滿足資料整編要求,同時(shí)還減輕了測(cè)站人員工作任務(wù)。

綜上所示根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50159-92)的規(guī)定,一年內(nèi)懸移質(zhì)輸沙率的測(cè)次,以能準(zhǔn)確定出推算輸沙率用的關(guān)系曲線為原則。本站自建站以來(lái),一直采用橫式采樣器法采取單位水樣及施測(cè)輸沙率。根據(jù)上述分析及本站的實(shí)際情況,確定輸沙率的年測(cè)次為14次(見(jiàn)表3)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上分析,通過(guò)對(duì)石門(mén)水文站觀測(cè)項(xiàng)目測(cè)次和實(shí)施時(shí)機(jī)的精簡(jiǎn)分析可知,石門(mén)水文站可在對(duì)流量、單位水樣、輸沙率進(jìn)行精簡(jiǎn)測(cè)次,其不影響水文測(cè)驗(yàn)最終成果。遇到特殊年份時(shí),總測(cè)次可在此基礎(chǔ)上,適當(dāng)增減。遠(yuǎn)期水文站應(yīng)構(gòu)建“駐巡結(jié)合、應(yīng)急補(bǔ)充”的水文測(cè)報(bào)監(jiān)測(cè)體系,不斷推進(jìn)水文觀測(cè)自動(dòng)化和水文監(jiān)測(cè)新技術(shù)應(yīng)用,節(jié)約人力,降低成本,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,擴(kuò)大水文資料收集面,發(fā)揮水文大數(shù)據(jù)時(shí)效性、應(yīng)急性效應(yīng),為社會(huì)提供精準(zhǔn)水文基礎(chǔ)服務(wù)。