特克斯河中游河段冰流量測驗與分析

趙宏濤

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

特克斯河中游河段冰流量測驗與分析

趙宏濤

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

為填補特克斯河中游河段冰流量分析的空白，通過整編冰情專用站實測資料，建立累積流冰量與累積負氣溫的相關關系，依據參證氣溫系列計算得到多年平均流冰量及年內分配過程。經分析，初步認為特克斯河中游河段多年平均總流冰量為35.15 m3×106m3，其中約48%來自上游河段，其余52%由中游河段自身產生。分析結果對河段內冬季運行的各涉河項目均有一定的指導意義。

水文學；冰流量；測驗；特克斯河；中游河段

特克斯河位于中高緯度地區，其冰流量的測驗與分析長期處于空白狀態，已成為制約河段開發利用的主要因素之一。筆者通過整編冰情專用站觀測資料，并結合主要成冰因素，對特克斯河中游河段流冰量進行分析與估算。

1 流域概況

特克斯河主要位于新疆伊犁哈薩克自治州，總體流向為由西南向東北，從阿合牙孜河匯合口至庫克蘇河匯合口為本文分析的中游河段。

特克斯河是典型的冰雪融水補給型河流，徑流年際變化穩定，但年內分配不均，每年6月～8月為主汛期，枯水期11月～2月為穩定退水期。

特克斯河中游河段屬大陸性溫帶氣候，一般11月下旬日平均氣溫逐漸減低至0℃，1月為最冷；一般3月下旬日平均氣溫逐漸升高至0℃，7月為最熱。

2 冰情特征簡述

特克斯河中游一般在11月下旬產生初冰，在12月下旬開始流冰，在3月下旬終止流冰，流冰期一般在90天左右,未發生過河面封凍現象。實測資料反映，特克斯河中游流冰以稀疏流冰花為主。

3 冰流量測驗

特克斯河流域內的國家基本水文站，均未對冰流量進行觀測,但當地水文局曾于2011年11月26日至2012年3月31日，在阿克達拉大橋、瑪熱塔斯渡口設立冰情專用站，進行了1個完整水文年的冰流量測驗。其中阿克達拉大橋專用站位于特克斯河中游上段，瑪熱塔斯渡口專用站位于特克斯河中游下段，專用站位置示意參見圖1。

兩專用站冰流量觀測均采用簡測法，以疏密度為常測項，同時進行水位、流量、氣溫的觀測。冰情觀測方法與過程簡述如下。

3.1 敞露水面寬（B）、疏密度（η）測驗

兩專用站均采用全站儀測量敞露水面寬；采用人工目估法觀測疏密度，在人工目估較為困難時采用攝影法進行測驗。其中疏密度為常測項，每日觀測時間為10時、18時。

3.2 冰花、冰塊流速（vg）測驗

冰流速測驗以冰花、冰塊為浮標，測定由上游水尺斷面流至下游水尺斷面的歷時，據此推求測點的平均流速。一般在橫斷面不同位置布設5～8個測點，各測點冰流速算術平均值即為斷面平均冰花、冰塊流速。

3.3 冰塊厚度（dg）、冰花厚度（dsg）與冰花團密度（ρsg）

特克斯河流冰形式主要以冰花團為主，流冰塊主要發生在解凍期。

冰塊厚度采用量冰尺取流經岸邊冰塊量取，一般每次測量5～10冰塊，且大小兼有，取其加權平均值為平均冰塊厚度[1]。

冰花厚度測量時，利用渡船在測流斷面上選取冰花較為集中且具有代表性的位置進行取樣。冰花采樣器形式為橫截面25 cm×25 cm的正方體，重量為5.4 kg。

冰花取樣時，在測點由流動的冰花表面垂直向下至冰花底部截取冰花樣體，然后在采樣器內量取冰花厚度、秤取冰花樣重量，并采用式1推求出測點冰花密度。斷面平均冰花密度為各測點冰花密度的算術平均值。

式中：ρsg為冰花密度，kg/m3；Wsg為冰花重量，kg；A為采樣器截面積，m2；dsg為冰花厚，mm。

4 冰流量資料整編

當河內流冰全部為流冰塊時，采用式2計算冰流量；當河內流冰全部為流冰花時，采用式3計算冰流量，式中冰花折算系數采用式4計算；若既有流冰花，又有流冰塊，則分別計算。

式中：Qg為冰流量，m3/s；B為敞露河面寬，m；Vg為平均冰速，m/s；dgdsg為平均冰塊厚，mm；η為平均冰花團厚度，mm；β為平均流冰疏密度；為冰花折算系數。

式中：ρsg為冰花密度，kg/m3；ρg為冰密度，kg/m3。

由于疏密度觀測連續，而冰流量測驗每月僅2～3次，因此需先建立疏密度與冰流量的關系曲線，再依據逐日疏密度資料，整編出逐日冰流量。

4.1 疏密度與冰流量關系

兩專用站在實測期內，按巡測的方式每10日進行一次冰流量測驗，平均每月施測3份，個別月份因巡測時未出現冰花，只施測到2份冰流量，從2011年11月至2012年3月，兩專用站分別實測了8份冬季冰流量資料，如表1、表2所示。

表1 阿克達拉大橋站2011～2012年實測冰流量表

表2 瑪熱塔斯渡口站2011～2012年實測冰流量表

2012年3月14日以后，由于氣溫升高，河流冰花斷續出現，至27日完全停止流冰花。

依據表1、表2中成果，點繪疏密度與冰流量關系圖，并通過點群中心繪制相關線，繪制時控制實測點據與曲線誤差不超過±20%[2]，并順趨勢將曲線下限延長至零，上限延長至實測疏密度最大值，如圖2所示。

圖2 冰情專用站疏密度與冰流量關系曲線

4.2 逐日冰流量成果整編

按照水文資料整編規范要求，逐日平均疏密度采用加權平均法計算，在此基礎上依據前述得到的疏密度與冰流量關系曲線，整編得逐日平均冰流量，統計得逐月成果，見表3、表4。

據表3統計，實測期內阿克達拉大橋站最大疏密度為0.860；最大冰流量為4.23 m3/s，1月11日；總流冰量為17.10×106m3。

據表4統計，實測期內瑪熱塔斯渡口站最大疏密度為0.650；最大冰流量為11.7m3/s，12月20日；總流冰量為38.91m3×106m3。

4.3 冰情專用站冰流量成果合理性分析

4.3.1 專用站冰流量過程對比分析

對比兩專用站整編后的冰流量過程，如圖3所示，可知兩專用站冰情過程總體一致，且下游瑪熱塔斯渡口站冰流量明顯大于上游阿克達拉大橋站冰流量。

一般而言，河流進入中游河段后，河道比降變緩、流速變慢，有利于形成流冰，同時中游河段汊流發育，增加了水流與大氣的熱交換速度，近而增加冰流量，圖3反映的兩專用站冰流量正符合以上規律。因此從上下游規律而言，兩站冰流量成果合理。

表3 阿克達拉大橋冰情專用站逐月平均冰流量表

表4 瑪熱塔斯渡口冰情專用站逐月平均冰流量表

4.3.2 冰流量與氣溫過程對比分析

氣溫是影響冰流量的主要因素，對比兩專用站冰流量過程與氣溫過程，如圖3所示，可知兩專用站冰流量過程與氣溫過程基本一致，總體隨氣溫波動。因此從主要成因角度分析，兩站冰流量成果也是合理的。

圖3 冰情專用站冰流量過程、氣溫過程對比圖

5 多年平均總流冰量初步分析

氣溫是影響冰情變化的熱力因素，它決定著冰量和冰質的變化[3]，因此可采用實測累積流冰量與累積負氣溫建立關系，依據周邊氣溫參證系列推求特克斯河中游多年平均總流冰量。

5.1 累積負氣溫與累積流冰量相關關系分析

依據兩專用站2011～2012年逐日平均冰流量資料及同期氣溫觀測資料，建立累積負氣溫與累積流冰量關系，并通過點群中心繪制相關線，繪制時控制實測點據與曲線誤差不超過± 3%，如圖4所示。

5.2 總流冰量及年內分配估算

以距離相近、高程相似為原則，分別以阿合牙孜水文站1980～2011年氣溫系列作為特克斯河中游上段的參證系列；以特克斯氣象站1980～2011年氣溫系列作為特克斯河中游下段的參證系列。從日平均氣溫穩定于0℃的日期開始，統計參證系列多年平均冬季累積負氣溫，得阿合牙孜水文站多年平均冬季累積負溫為-1452.5℃，特克斯氣象站多年平均冬季累積負溫為-807.4℃。

按圖4中整理的累積負氣溫與累積流冰量相關關系，可計算得阿克達拉大橋站多年平均累積流冰量為16.83×106m3，瑪熱塔斯渡口站多年平均累積流冰量為35.15×106m3。

以2011～2012年實測的流冰量年內分配過程為典型，按總流冰量為控制進行同倍比縮放，可得兩專用站多年平均流冰量年內分配，成果如表5所示。

圖4 專用站累積氣溫與累積冰流量關系曲線

表5 冰情專用站多年平均流冰量及年內分配表

6 結論

筆者在冰情專用站實測資料基礎上，通過整編、分析，初步認為特克斯河中游段多年平均總冰流量為35.15×106m3，且80%的流冰量發生在12月和1月份；初步查明特克斯河中游流冰量約48%來自上游，其余的52%由中游河段自身產生。

筆者的分析填補了特克斯河中游河段冰流量分析研究的空白，其成果對特克斯河中游河段規劃的水利水電項目，以及冬季運行的各涉河項目均有一定的指導或參考意義。

[1]錢學偉，董治理，張立錦，等.河流冰情觀測規范：SL59-1993[S]北京：中國水利水電出版社，1993：9-10

[2]朱曉原，張留柱，姚永熙.水文測驗實用手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2013：498-503

[3]郭立新，曹燁，王明虎，等.黃河山東段冰情影響因素、機制及觀測[J].水利規劃與設計，2010（2）：19-22

P338.4

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1673-9000（2017）04-0142-03

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趙宏濤（1985-），男，新疆烏魯木齊市人，工程師，從事水利水電工程設計工作。