湖南南咀水文站懸移質含沙量測驗探討

曾渝 周曉 黎炎慶 涂盟 唐聰

摘要：懸移質含沙量大小受泥沙來源、暴雨強度、河床沖刷及不同水系河流來水相互滲透等多種因素的影響，其測驗一直是水文巡測的難點。懸移質含沙量分布測驗結果應能反映含沙量的變化過程，有利于掌握其輸移量、各種特征值及在時間上的變化規律。分析了2004～2018年南咀水文站懸移質含沙量測驗結果及肖家灣（二）站與南咀站水位落差變化過程的相應關系，根據水位落差過程線中的轉折點，提取對應懸移質含沙量。分析結果滿足水文資料整編成果精度要求。通過水位落差與懸移質含沙量的關系合理調整測驗測次分布，既能及時掌握懸移質含沙量在天然河流中的變化過程，又能突破傳統按期取樣采集方法的限制，顯著減少沙峰過程中的測驗次數，可降低勞動強度。

關鍵詞： 懸移質含沙量;含沙量測驗;含沙量分布;水位落差;南咀水文站

中圖法分類號：P333.4文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.003

1 研究背景

南咀水文站位于湖南省沅江市南咀鎮南咀村，是控制松滋河、虎渡河、澧水、沅水經西洞庭湖湖口（北端）流入南洞庭湖水情的國家一類精度水文站，其地理位置見圖1。該站上游約19 km處設有肖家灣（二）站，是監測松虎合流入湖前水位變化情況的基本水位站;松滋河與虎渡河匯合在該站的基本水尺斷面上游約17.5 km，下游約1 km處松虎合流與澧水匯合成松澧洪道。

南咀水文站的水位流量、含沙量關系受多種因素綜合影響，其中澧水、長江來水的影響以洪水漲落為主，湘、資水則受變動回水及頂托影響，沅水部分水量經目平湖由該斷面流出，具有明顯的湖泊調節特性。

2003年后，因河道治理和水庫工程建設，改變了河段及洞庭湖區河流的水沙特性，懸移質含沙量明顯減小，經歷史資料分析確定南咀站枯季（1～3月、12月）懸移質輸沙量停測，每逢年份尾數為0和5時進行實測。采用肖家灣（二）站的水位減南咀站水位得出的水位落差與歷年實測懸移質含沙量繪制相應關系圖，比對分析相應變化過程，掌控天然河流中懸移質含沙量運動特性及規律變化過程。

2 懸移質含沙量測驗分析

2.1 測次確定原則

根據GBT 50159-2015《河流懸移質泥沙測驗規范》第4.2.1條規定[1]，開展懸移質含沙量測驗。1a內單樣含沙量的測次分布以“能控制含沙量的變化過程，滿足推算逐日平均含沙量、輸沙率的特征值的需要”為原則。非汛期含沙量相對較小，測次可適當減少;在水情變化的峰頂、峰谷附近適當增加測次。

2.2 含沙量與水位落差分析

根據2004～2018年南咀水文站水位月報與肖家灣（二）站水位自記資料計算水位落差，制作以時間為橫軸，水位落差與實測懸移質含沙量為縱坐標的關系過程線圖。南咀水文站上游懸移質含沙量主要來源于澧水和長江流域，沅水流域河流中的懸移質含沙量對南咀斷面影響較小。澧水流域4～8月水位暴漲暴落，水位落差與懸移質含沙量無穩定的固定關系，但每次洪水的水位落差增大時懸移質含沙量逐漸呈現相對增大趨勢。長江流域受三峽水庫泄洪沖沙調蓄作用，懸移質含沙量與水位落差呈反常現象，主要集中在7，8月之間，具體年份有2004，2007，2009，2010，2012，2013年和2018年。除2018年長江上游50 a一遇的特大洪水之外，大部分泄洪沖沙調蓄過程中略有水位落差變動。本文以2018年為例，分析南咀站水位落差與實測懸移質含沙量變化過程關系（見圖2）。

2018年4月1日至7月7日，澧水、沅水河流相接二次大的洪峰過程，水位落差變幅為0.08～0.89 m，懸移質含沙量在0.030～0.316 kg/m3之間，懸移質含沙量隨水位落差的變化同步相對穩定。同年7月8～19日，三峽水庫遇長江第1號洪水洪峰，首次開閘泄洪，水位落差在0.86～0.73 m之間迂回，澧水與長江來水匯合后相互滲透，懸移質含沙量上下波動，變幅為0.204～0.331 kg/m3。7月20～29日，受長江第2號洪水特大洪峰影響，三峽水庫進行泄洪，同時實施沙峰排沙調度，此次沙峰過程懸移質含沙量與落差變動異常，2018年南咀水文站水位落差與懸移質含沙量測點關系如圖3所示。

水位落差從0.70 m波動降至0.56 m， 最大懸移質含沙量出現在7月22日（0.622 kg/m3），最小懸移質含沙量在7月29日（0.199 kg/m3），水位落差較小，分別為0.60 m和0.59 m，而懸移質含沙量變化較大，水位落差與懸移質含沙量在三峽水庫人工調節后出現異常。7月30日至11月30日綜合來水中懸移質含沙量隨水位落差同時發生相應變化，最大水位落差0.71 m，最大懸移質含沙量0.157 kg/m3，懸移質含沙量基本隨水位落差漲落變化。?

從圖3可以看出，全年測點含沙量按時間分布大致分為3個部分。

（1）4月1日～7月19日。測點泥沙主要來自澧水流域，7月8日后一部分來自于長江。根據水位落差與懸移質含沙量作趨勢線，水位落差小于0.70 m時，懸移質含沙量在趨勢線附近，懸移質含沙量在0.15 kg/m3以下。水位落差與懸移質含沙量關系較穩定，趨勢線呈平直狀態，水位落差大于0.70 m時，懸移質含沙量變幅大，趨勢線呈指數上升。

（2）7月20日～7月29日。在三峽水庫泄洪排沙調度過程中，水位落差從0.71 m減小到0.59 m。20～22日，懸移質含沙量變幅從0.265 kg/m3增至0.622 kg/m3。22日以后，水位落差在0.56～0.61 m之間波動，懸移質含沙量再逐漸減小到0.199 kg/m3，形成一個較大的沙峰過程，測點懸移質含沙量位于趨勢線上方，改變了水位落差與懸移質含沙量變化趨勢的規律。

（3）7月30日～11月30日。測點懸移質含沙量相對上半年偏小，泥沙來源于澧水和長江，測點懸移質含沙量均低于趨勢線以下，但水位落差與懸移質含沙量保持相應變化關系。

2004～2018年，懸移質含沙量與水位落差變化基本同步。當水位落差遞增時，懸移質含沙量相應增大;落差減小時，懸移質含沙量相應減小，最大水位落差0.99 m，實測懸移質含沙量主要集中在0.006～1.09kg/m3之間。受來水影響，每年主汛期洪水水位變化過程與懸移質含沙量變化不完全相同，懸移質含沙量與水位落差關系主要受3種因素影響：①在一次大的洪峰過程中，與多股河道洪峰交疊或頂托時，落差增長率變緩，懸移質含沙量相應減小，導致懸移質含沙量在最大落差之前出現最大懸移質含沙量;②受葛洲壩、三峽水庫沖沙泄洪影響，沙峰反應時間長，水位與水位落差同時緩慢下降、減小，含沙量隨之呈現相反脈動遞增現象，最大懸移質含沙量往往出現在最大落差之后，整體含沙量變化過程滯后;③懸移質含沙量變化受洪水脈動影響，含沙量較大時，在斷面上橫向和縱向分布比較明顯[2-4]。

3 測次布置與統計

根據各年南咀站水位落差與實測懸移質含沙量測次分布圖，在水位落差過程線的每個轉折點處摘錄所對應的測點含沙量，轉折處無對應的含沙量時，采用鄰近測點。懸移質含沙量較大時，在水位落差峰頂峰谷附近，適當增加測點含沙量分布測次，即峰頂峰谷的前后各布置一個測點。在三峽水庫沖沙泄洪過程中，由于含沙量變化與水位落差波動，采用全摘錄，重新組合摘錄含沙量測點錄入水文資料整編系統——南方片程序2.0版中運算，計算懸移質含沙量年月各特征值，比較新篩選統計的懸移質含沙量特征值與原測驗方案的特征值。

3.1 年特征值誤差統計

根據落差分析，以提取摘錄的懸移質含沙量重新整編運算結果為新方案。與歷年整編結果為原方案統計對比分析，整編結果主要包含年最大日平均輸沙率、最大斷面平均含沙量及出現的日期、年平均含沙量、年平均輸沙率和輸沙量。統計結果見表1～2。

3.2 測次統計

懸移質含沙量以落差法摘錄后的測次數作為新方案與原方案統計比較，結果見表3。

4 結 語

根據水位落差分析方案誤差統計結果，年最大日平均輸沙率、年最大斷面平均含沙量與原方案保持一致。年平均含沙量、年平均輸沙率及年輸沙量的相對誤差均小于3%，各項誤差均在誤差允許范圍之內。從表1～3可以看出，采用水位落差分析方案比原方案測次布置明顯減少，使懸移質含沙量測驗布置更為合理。該方法改善了原來盲目水樣采集和固定天數采樣時間的不足，增強了測驗人員對水位落差和三峽水庫開閘泄洪排沙調度的關注，降低了測驗工作的勞動強度和經濟成本。

參考文獻：

[1] GB T50159-2015 河流懸移質泥沙測驗規范[S].

[2] 趙志貢，榮曉明，菅浩然，等. ?水文測驗學[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2014.

[3] 王昌杰. 河流動力學[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[4] 沈冰，黃紅虎. ?水文學原理（第二版）[M]. 北京：中國水利水電出版社，2015.

（編輯：唐湘茜）