大王廟水文測站實測水文數(shù)據(jù)特性分析

陳欣欣

(河南省開封水文水資源勘測局，河南 開封 475000)

1 大王廟水文站概況

1.1 測站概況

1958年河南省水利廳設(shè)立唐寨水文站，由杞縣水利局領(lǐng)導(dǎo)；1962年由開封專署水利局領(lǐng)導(dǎo)；1963年由水利廳領(lǐng)導(dǎo)；1964年4月17日由水利部河南省水文總站領(lǐng)導(dǎo)。該站下遷4 km后改為大王廟水文站，位置設(shè)在河南省開封市杞縣裴村店鄉(xiāng)周崗村，惠濟河的右岸，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)114°51′，北緯34°33′，是惠濟河上的源頭站，控制流域面積1 265 km2，河長59.00 km，河流平均比降1/4 800，距河口距離122 km。此站是河南省重點水文站(Ⅱ級河道水文站)，是豫東平原代表站。

1.2 測站功能

大王廟水文站擔(dān)負(fù)著向省、市報汛任務(wù)，承擔(dān)惠濟河上游水文水資源基本信息采集、水資源評價、區(qū)域防洪等重要任務(wù)，為淮河流域水資源開發(fā)利用與保護、防汛抗旱、水利工程建設(shè)與管理、工農(nóng)業(yè)用水、城市供水等方面提供基礎(chǔ)水文資料信息，對開封市及淮河下游防汛起著重要作用。

1.3 測驗基本情況

1.3.1 測驗河段情況

大王廟水文站測驗河段順直。斷面為復(fù)式斷面，夏秋兩岸灘地有莊稼，河道內(nèi)種有樹木，影響行洪，河床為壤土，沖淤變化不大。上游1.20 km有李崗攔河閘一座，測驗受閘啟閉影響；下游12 km有板橋攔河閘一座，時有頂托現(xiàn)象發(fā)生。

1.3.2 測驗斷面布設(shè)情況

大王廟水文站基本水尺斷面兼流速儀測流斷位于測驗河段中部。

1.3.3 測驗項目

大王廟水文站主要觀測項目有：降水、水位、流量、單沙、輸沙率、蒸發(fā)、水文調(diào)查、水質(zhì)、水溫、冰情、墑情等，并開展水情報汛、資料整編和水文分析。

2 水文氣候及地形地貌

2.1 水文氣候

年平均氣溫14℃。歷年極端最高溫度42.90℃(1966年7月19日)，歷年極端最低溫度-16℃(1971年12月27日)，平均濕度為70%～80%，多年平均降水量由東南向西北遞減，年降水量分布不均，且多集中在幾場暴雨，易形成洪澇災(zāi)害。與年降水量地域分布相反，年平均蒸發(fā)量則是由東南向西北遞增。春季多風(fēng)，平均風(fēng)速3.50～4.50 m/s，歷年最大風(fēng)速為28 m/s。日照時間隨季節(jié)而變化，從2月最短逐漸變長，到6月達(dá)到最大值，然后又逐漸變短。多年平均日照2 298.70個時數(shù)，多年月平均2月最短日照為142.80 h，6月最長日照時間為249.00 h。氣溫隨季節(jié)變化，春秋晝夜溫差較大，多年平均溫度14.90℃，歷史最高氣溫43℃出現(xiàn)在1972年；歷史最低氣溫-16℃出現(xiàn)在1971年。多年平均無霜期221 d。初霜一般發(fā)生在11月3日左右，終霜一般發(fā)生在3月27日左右。

2.2 地形地貌

區(qū)內(nèi)平均海拔為58 m，介于53.40～64.40 m，相對高差為11 m，平均坡降為1/5 000。除縣境東部黃河故道上有少數(shù)3～5 m高的沙丘外，其余均為平地，按其成因可分為沖積風(fēng)積沙丘砂地和黃泛沖積平原兩種地貌類型。

3 測站特性

3.1 降水特性

降水量年內(nèi)分布不均，7-9月降水量占全年降水量的70%以上。統(tǒng)計了1964—2019年56年實測資料，大王廟站多年平均降水量650.00 mm，最大年降水量為1 180.00 mm，最小年降水量為179.20 mm，最大日降水量為254.40 mm。年平均蒸發(fā)量1 600～2 000 mm，其中5月和6月兩個月蒸發(fā)量最大，占全年蒸發(fā)量的25%～30%；12月和1月兩個月的蒸發(fā)量共占全年蒸發(fā)量的5%～10%。

3.2 水沙特性

該站斷面洪水主要是流域降水形成，洪水緩漲緩落，洪峰歷時較長，沙峰一般與洪峰配套，且略滯后于洪峰。非汛期河道主要為開封市退水，近年來枯水期為保證河道生態(tài)水量，加大引黃水量，河道水體含沙量較大。河道遇大洪水或大量引黃時略有淤積。統(tǒng)計大王廟水文站1964—2019年資料，實測多年平均懸移質(zhì)含沙量3.07 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙率39.20 kg/s，多年平均懸移質(zhì)年輸沙量123萬t。2019年單斷沙關(guān)系比例系數(shù)為0.96，曲線標(biāo)準(zhǔn)差3.80%，斷沙采用單斷沙關(guān)系線法推求。

3.3 斷面沖淤情況

大王廟水文站于2015年斷面下遷1.00 km至基本斷面測流，故本報告僅統(tǒng)計了2015年以來汛前實測大斷面資料，大王廟站汛前實測大斷面情況詳見圖1。

圖1 大王廟站2015—2019年實測大斷面套繪圖

3.3 水位～流量關(guān)系

該站水位～流量關(guān)系表現(xiàn)為多線關(guān)系。低水時水位～流量關(guān)系紊亂；中高水時水位～流量關(guān)系較好，一般為單一線；高水時水位～流量關(guān)系一般為逆時針繩套，斷面多為漲沖落淤。

3.4 水文特征值

大王廟水文站實測最高水位60.06 m，出現(xiàn)日期1971年6月30日，相應(yīng)流量272 m3/s，施測方法：人工水尺觀測；實測最大流量309 m3/s，出現(xiàn)日期1977年7月11日，相應(yīng)水位59.60 m，施測方法：流速儀；建站以來最大流量313 m3/s，出現(xiàn)日期1977年7月11日，相應(yīng)水位59.71m，施測方法：曲線推求；實測最大流速2.10 m/s，出現(xiàn)日期1977年7月10日，相應(yīng)水位(流量)59.17 m(273 m3/s)，施測方法：流速儀；實測最大水深5.18 m，出現(xiàn)日期1971年6月30日，相應(yīng)水位(流量)60.06 m(272 m3/s)，施測方法：鉛魚；實測最大含沙量29.20 kg/m3，出現(xiàn)日期1977年8月13日，相應(yīng)水位(流量)57.33 m(103 m3/s)，施測方法：瓶式采樣器。

3.5 徑流量

分析1956—2019年大王廟水文站徑流資料，看出徑流呈逐年下降趨勢。大王廟水文站多年年平均流量12.80 m3/s，徑流的年內(nèi)分配因受補給條件的影響而四季分明，冬季(12 月-次年2月)氣溫低，降水少，徑流主要靠地下水補給，流量較小，這一時期為枯水期，來水量占全年總量的 0.78%；春季(3-5月)來水量占全年總量的14.50%；夏秋兩季(6-11月)來水量占全年總量的77.70%，是流域降水較多時期，也是河流發(fā)生洪水的時期。

3.5.1 多年天然徑流量

大王廟水文站多年平均天然徑流量為8.00×107m3，最大天然徑流量2.92×107m3，發(fā)生在1964年，與流域最大降水量1 056.30 mm相對應(yīng)；最小天然徑流量8.90×106m3，基本與流域最小降水量335.50 mm相對應(yīng)。大王廟多年天然徑流量見圖2。

圖2 大王廟多年天然徑流量柱狀圖

3.5.2 徑流量在年內(nèi)分配

多年各月天然徑流量年內(nèi)時空布不均，從1-8月，逐月增大到8月達(dá)到最大值，然后從9月開始天然水量逐月減小至12月，為了直觀，把月平均天然徑流量、月平均降水量年內(nèi)變化，繪制過程變化圖(圖中天然徑流量以徑流深表示)，見圖3。從圖中可以看出大王廟多年各月天然徑流量變化過程，隨降水量大小而變化，走勢一致，相關(guān)性較強，其中天然徑流量落后降水量，說明從降水到產(chǎn)流有一個過程。降水量、徑流量集中發(fā)生在6-9月份。大王廟6-9月份降水量占全年66%，徑流量占全年的62%。大王廟多年月天然徑流量分布圖見圖4。

圖3 大王廟徑流深、降水量年內(nèi)變化圖

圖4 大王廟多年月天然徑流量分布圖

3.5.3 徑流量年季變化

大王廟天然徑流量隨著年降水量的豐枯而交替出現(xiàn)豐枯變化，但時間不同，連續(xù)干旱(枯水期)持續(xù)時間要長于連續(xù)洪澇年(豐水年)，波段的峰值和谷值越來越低，變幅越來越小，年季變化越來越不明顯，豐水期的年徑流量波動較大，枯水期的年徑流量波動較小。近年來徑流量逐漸變小處于枯水期，甚至還有發(fā)展趨勢，見圖5。

圖5 大王廟徑流量、降水量年季變化圖

3.5.4 徑流特征值

大王廟流域面積1 265 km2，多年平均降水量639.70 mm，多年平均天然徑流量7.95×107m3，多年平均天然徑流深62.80 mm，徑流系數(shù)0.098，徑流模數(shù)0.002 0。

3.5.5 不同頻率徑流量

將大王廟站歷年天然水資源量按從大到小的次序進(jìn)行排序，應(yīng)用公式P=m/n+1計算實測系列的經(jīng)驗頻率，利用皮爾遜Ⅲ型曲線，調(diào)整Cv值為0.32，Cs值為0.55，Cs/Cv值為1.72，得到與經(jīng)驗點據(jù)配合較好的理論頻率曲線，查線得出豐水年P(guān)=5%對應(yīng)的平均徑流量為1.64×108m3；偏豐水年P(guān)=25%對應(yīng)的平均徑流量為1.02×108m3；平水年P(guān)=50%對應(yīng)的平均徑流量為7.03×107m3；偏枯水年P(guān)=75%對應(yīng)的平均徑流量為4.74×107m3；枯水年P(guān)=95%對應(yīng)的平均徑流量為2.68×107m3。

3.5.6 不同頻率典型年的徑流量

根據(jù)不同保證率的年徑流量，從系列資料中挑選年徑流量與之相符的年份作為相應(yīng)保證率的典型年，進(jìn)行典型年的月分配。大王廟站豐水年P(guān)=5%的典型年1957年；偏豐水年P(guān)=25%的典型年1998年；平水年P(guān)=50%的典型年1976年；偏枯水年P(guān)=75%的典型年1991年；枯水年P(guān)=95%的典型年1987年。

大王廟對應(yīng)不同頻率的典型年徑流量計算成果見表1。

表1 大王廟地表水資源不同頻率典型年分配表 單位：104 m3

從表中可以看出：①不同頻率的典型年徑流量從1月份最小逐月增大，一般到8月達(dá)到最大，然后逐漸變小基本與降水一致；②連續(xù)四個最大月不同頻率的年徑流量占全年徑流量從53.50%～85.40%，最小年份也超過全年徑流量的50%；③豐水年、偏豐水年連續(xù)四個最大月占全年百分比明顯高于偏枯水年、枯水年百分比，說明豐水年降水多，且出現(xiàn)在汛期，產(chǎn)流量大；④非汛期徑流量變化不大，豐水年汛期徑流量明顯偏大。

4 結(jié)論

該站降水量年內(nèi)分布不均，7-9月降水量占全年降水量的70%以上；洪水一般發(fā)生在5-10月，多為暴雨形成，斷面洪水主要是流域降水形成，洪水緩漲緩落，洪峰歷時較長，沙峰一般與洪峰配套，且略滯后于洪峰；斷面沖淤變化不大；水位～流量關(guān)系為多線關(guān)系；徑流主要由流域降水補給形成，徑流年內(nèi)分配、年際變化與降水變化基本一致，徑流呈逐年下降趨勢，徑流年內(nèi)分配因受補給條件的影響而四季分明；多年各月天然徑流量變化過程，隨降水量大小而變化，走勢一致，相關(guān)性較強；天然徑流量年季變化越來越不明顯，豐水期的年徑流量波動較大，枯水期的年徑流量波動較小；徑流量豐水年降水多且出現(xiàn)在汛期，產(chǎn)流量大。