潘家莊水文站泥沙測(cè)驗(yàn)方式探討

祁向榮

(甘肅省酒泉水文水資源勘測(cè)局，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

我國(guó)水文站監(jiān)測(cè)的河流泥沙資料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著重要意義，比如在河流上修建水庫(kù)，要考慮泥沙淤積情況來(lái)確定水庫(kù)的使用壽命；河道的整治、堤防的修建、航道的維護(hù)，都需要研究河流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律；灌溉引水工程需要考慮入渠泥沙量大小和渠道不被沖淤的水力條件；水土保持工程需要研究流域產(chǎn)沙過(guò)程，等等。地處內(nèi)陸河流域疏勒河水系的潘家莊水文站，開展泥沙等項(xiàng)目監(jiān)測(cè)已有53 a，積累的水文資料為疏勒河水工程規(guī)劃建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。但是，潘家莊水文站泥沙目前仍實(shí)行全年人工監(jiān)測(cè)，年單沙監(jiān)測(cè)達(dá)400多次，測(cè)驗(yàn)工作量非常大，嚴(yán)重阻礙該站水文監(jiān)測(cè)自動(dòng)化進(jìn)程，極不適應(yīng)當(dāng)前水利改革發(fā)展和水文現(xiàn)代化建設(shè)的形勢(shì)要求。筆者通過(guò)對(duì)潘家莊水文站單斷沙關(guān)系等的深入分析，探討該站泥沙測(cè)驗(yàn)方式改革，提出該站泥沙間測(cè)的可行性，可大大減少泥沙測(cè)驗(yàn)工作量，為該站水文現(xiàn)代化管理提供技術(shù)支撐。

1 潘家莊水文站基本概況

潘家莊水文站設(shè)于1958年3月，地處內(nèi)陸河流域疏勒河水系疏勒河中下游，位于甘肅省酒泉市瓜州縣布隆吉鄉(xiāng)，地理位置：東經(jīng)96°31′32.9″，北緯40°33′01.5″，集水面積18 496 km2，屬國(guó)家重要水文站、省級(jí)報(bào)汛站、省級(jí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站、大河控制站。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水。設(shè)站目的是為了監(jiān)測(cè)疏勒河水文要素，收集基本水文信息，開展水情報(bào)汛、水資源評(píng)價(jià)、水文調(diào)查等工作，探索疏勒河水文要素變化規(guī)律，為國(guó)家長(zhǎng)期積累水文基礎(chǔ)資料，為下游雙塔堡水庫(kù)抗旱防洪調(diào)度等提供基礎(chǔ)信息和依據(jù)。

潘家莊水文站測(cè)驗(yàn)河段基本順直，河寬約65 m；河床由細(xì)沙組成，主泓相對(duì)穩(wěn)定，沖淤變化不大。建站以來(lái)，潘家莊水文站實(shí)測(cè)最高水位1 348.51 m，最大流量441 m3/s，最大含沙量254 kg/m3，最大輸沙率45 400 kg/s，年徑流量4.170億 m3，年輸沙量1 500萬(wàn) t。

2 潘家莊水文站泥沙測(cè)驗(yàn)概況

目前，潘家莊水文站泥沙測(cè)驗(yàn)包括懸移質(zhì)單位水樣含沙量和斷面輸沙率測(cè)驗(yàn)，全年均實(shí)行人工監(jiān)測(cè)。

2.1 單沙

水文纜道懸索懸吊橫式1 000 ml采樣器，采用全斷面混合法測(cè)沙，在流速儀測(cè)流斷面起點(diǎn)距36 m處取樣，測(cè)驗(yàn)方法為固定一線一點(diǎn)(0.5水深)法，水樣處理方法為過(guò)濾法。洪水期每日單沙按六段制測(cè)驗(yàn)，根據(jù)沙情變化隨時(shí)加測(cè)，以控制含沙量變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為原則。一般情況下年單沙監(jiān)測(cè)達(dá)400多次。

2.2 斷沙

水文纜道懸索懸吊橫式1 000 ml采樣器，分別在測(cè)沙垂線上用四線或五線一點(diǎn)( 4/0.5或5/0.5)選點(diǎn)法測(cè)驗(yàn)，用過(guò)濾法處理沙樣，1‰天平稱重，計(jì)算輸沙率和斷面平均含沙量。一場(chǎng)洪水過(guò)程斷沙測(cè)次不少于3次，并視沙情變化，增加斷沙測(cè)次。一般情況下年輸沙率測(cè)驗(yàn)10多次。

3 潘家莊水文站泥沙時(shí)空分布分析

2000年以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，潘家莊水文站上游先后修建昌馬水庫(kù)、昌源電站、大灣一級(jí)電站等近二十個(gè)梯級(jí)電站工程。受工程調(diào)蓄作用影響，尤其是修建昌馬水庫(kù)后，潘家莊水文站水文情勢(shì)發(fā)生了較大變化，泥沙急劇減少。

潘家莊水文站設(shè)站以來(lái)，已積累了53年的水文資料。經(jīng)多年系列資料分析，潘家莊水文站含沙量年內(nèi)分布極不均勻，主要分布在汛期6-9月，占年平均含沙量的79%，10月至次年3月間河道流量小，挾沙能力弱。歷年月平均含水量過(guò)程線見圖1。

圖1 潘家莊水文站歷年月平均含沙量過(guò)程線

含沙量年際變化較大，多年平均含沙量7.57 kg/m3，年平均最大含沙量為36.0 kg/m3，最小為1.41 kg/m3，Cv值為0.78；歷年最大含沙量為254 kg/m3，最小含沙量為零。從歷年平均含沙量過(guò)程線(見圖2)中看出，2011年以后年平均含沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多年均值。

圖2 潘家莊水文站歷年平均含沙量過(guò)程線

輸沙率分布與含沙量分布相似，多年平均輸沙率69.4 kg/s，多年平均輸沙量228萬(wàn) t。年平均輸沙率最大為475 kg/s，最小為7.89 kg/s，Cv值為1.0。

輸沙量年內(nèi)分配與含沙量相似，主要集中在6-9月，占年輸沙量的90%。輸沙量的年際變化較大，最大年輸沙量為1 500萬(wàn) t，最小年輸沙量為24.1萬(wàn) t， Cv值1.01。

4 潘家莊水文站泥沙間測(cè)分析

4.1 單位含沙量

選取潘家莊水文站2010-2018年資料進(jìn)行分析，對(duì)非汛期(1-3月和10-12月)輸沙量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，1-3月及10-12月時(shí)段輸沙量小于多年平均輸沙量的3.0%，根據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》SL195～2015巡測(cè)條件和要求4.2.7條規(guī)定，每年低、枯水期連續(xù)3個(gè)月以上的時(shí)段輸沙量小于多年平均輸沙量的3.0%，在該時(shí)段內(nèi)可停測(cè)泥沙，停測(cè)期間含沙量作為零處理。

表1 非汛期1-3、10-12月輸沙總量

4.2 輸沙率

潘家莊水文站歷年單斷沙關(guān)系曲線為近似45°直線(見圖3)，2006-2018年期間，單斷沙比例系數(shù)在0.992 0～1.03區(qū)間變化。根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》間測(cè)輸沙率分析，選取5年(2014-2018)年輸沙率和相應(yīng)單位含沙量實(shí)測(cè)成果，按沙量級(jí)分成若干組，分別求出各組的相應(yīng)單沙以及斷沙的平均值。用各級(jí)平均單斷沙關(guān)系點(diǎn)，繪制歷年綜合單斷沙關(guān)系線，通過(guò)“南方片資料整編程序”對(duì)曲線進(jìn)行三種檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格(見表2)，單斷沙比例系數(shù)為1.013(見圖4)，各年單斷沙關(guān)系線偏離歷年綜合關(guān)系線的最大值小于±3%～5%。

圖3 2014-2018年單斷沙關(guān)系曲線

表2 潘家莊水文站歷年綜合單斷沙關(guān)系曲線檢驗(yàn)表

由于該站上游修建了多處梯級(jí)電站和水利工程，受水利工程影響，歷年實(shí)測(cè)最大、最小輸沙率選取2010-2018年的系列資料挑選，沙量變幅占?xì)v年沙量變幅36%，水位變幅占?xì)v年水位變幅的76.9%，符合《水文巡測(cè)規(guī)范》間測(cè)條件，可實(shí)行間測(cè)。

綜上分析，潘家莊水文站含沙量非汛期(1-3月及10-12月)停測(cè)，汛期(4-9月)駐測(cè)，測(cè)驗(yàn)方法為橫式、固定一線0.5一點(diǎn)法，輸沙率可實(shí)行間測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著新時(shí)期水文發(fā)展服務(wù)社會(huì)的需求，水文監(jiān)測(cè)改革需遵循“駐巡結(jié)合，巡測(cè)優(yōu)先，測(cè)報(bào)自動(dòng)，應(yīng)急補(bǔ)充”的原則，以加強(qiáng)水文監(jiān)測(cè)管理為核心，以科技創(chuàng)新和新技術(shù)應(yīng)用為手段，以水文測(cè)驗(yàn)方式改革為主要內(nèi)容，全面提升水文監(jiān)測(cè)能力和服務(wù)水平，最終實(shí)現(xiàn)水文信息測(cè)報(bào)自動(dòng)化。通過(guò)上述分析，潘家莊水文站泥沙測(cè)驗(yàn)方式非汛期泥沙停測(cè)，輸沙率間測(cè)是完全可行的，將大大減輕泥沙測(cè)驗(yàn)工作量，提高水文站監(jiān)測(cè)效率，符合當(dāng)前水文現(xiàn)代化發(fā)展的需要，對(duì)貫徹落實(shí)水利改革發(fā)展總基調(diào)具有重要的意義。