永寧河永寧鎮水文站單斷沙關系分析

王春陽

(甘肅省隴南水文水資源勘測局，甘肅 成縣 742500)

1 測站及流域概況

永寧河干流發源于西秦嶺南麓，徽縣西北部大山的東南坡[1]，源地海拔2064.8 m，屬嘉陵江上游一級支流，位于甘肅省徽縣東部，流域面積2177 km2，河流全長約170 km。流經天水市娘娘壩、李子園、黨川、隴南市徽縣高橋、柳林、永寧鎮、于徽縣嘉陵鎮田家河村注入嘉陵江。永寧鎮水文站位于徽縣永寧鎮，距下游河口(嘉陵江)約19 km，該站屬省級一般水文站，測驗項目主要有降水量、蒸發量(E601及20 cm口徑蒸發同步觀測)、水位、流量、含沙量(包括單樣含沙量及輸沙率)、定點洪水調查。永寧鎮水文站位置見圖1。

圖1 永寧鎮水文站位置示意圖

2 水文特性

2.1 斷面特性

含沙量的分布形式與河床性質、斷面形狀及河道形勢、泥沙粒徑及上游來水情況等各項因素有關[2]。斷面的穩定與否，對輸沙率的影響很大，點繪該站近十年的大斷面變化圖(見圖2)，可以看出，測驗斷面相對穩定，沖淤變化小。

圖2 永寧鎮水文站大斷面沖淤變化圖

2.2 降水、蒸發特性

該站降水量主要來自汛期，對該站年降水量資料統計分析發現，年內分配極不均勻，其特點是每年5月～9月雨量高度集中，約占全年降水的80%左右。春季和冬季降水少而不穩定，主汛期6月～8月降水量占全年降水量的68.5%；降水量的年際變化相對較小，多年平均降水量693.8 mm，而多年平均蒸發量為750.0 mm，遠大于年降水量。降水年內分配見表1，降蒸對比見圖3。

圖3 永寧鎮站降水蒸發量趨勢對比圖

表1 永寧鎮站降水量年內分配表 單位：mm

2.3 徑流特性

利用多項式對徑流變化進行分析，徑流量呈現有規律的高頻振蕩[3]。由于雨水主要集中在5月～10月，期間多發生山溪性洪水，常挾帶大量泥沙，含沙量在這段時間最為集中。在主汛期，徑流量占多年平均徑流量的76.2%，該站多年平均年徑流量為4.12億m3。受降水量分配影響，徑流量具有年內分配不均、年際變化大的特點。該站歷年最大流量1860 m3/s，流量過程與降水量過程基本相應，最小流量為0.46 m3/s。從圖4可以看出，該站年徑流量呈現逐年減小的趨勢。

圖4 永寧鎮站年徑流變化趨勢圖

2.4 泥沙特性

該站及上游均屬山地丘陵旱作農業區，農業生產是永寧河含沙量的主要來源。斷面泥沙主要來源于中上游，源地屬黃土高原向秦嶺的過渡地帶，加上中上游農田大量開墾，植被遭到很大破壞，土壤侵蝕嚴重。根據泥沙長系列資料計算，多年平均含沙量為1.96 kg/m3，主要出現在6月～9月。由于降水徑流的年內分配不均，導致輸沙量年內分配極不均勻。多年平均含沙量最大值為12.8 kg/m3，最小值僅為0.063 kg/m3，倍比203，相差懸殊；多年平均輸沙率為31.7 kg/s，最大輸沙率為271 kg/s，最小值僅為0.39 kg/s，倍比694.9；輸沙量方面，多年平均輸沙量為100萬t，年最大輸沙量855萬t，最小為1.2萬t，倍比713，年際變化大，輸沙率平均侵蝕模數490.5 t/km2，點繪輸沙量與年含沙量的變化對比曲線，輸沙量年內分配與含沙量保持一致，輸沙量年內分配極不均勻，主要出現在主汛期(6月～9月)，期間輸沙量占全年的93%；沙峰持續時間短、分配不均、變化幅度大是該站泥沙的主要特性。近十年來，天保工程的實施，加之徑流量減小，河流挾沙能力減弱[4]，含沙量呈逐年減小的趨勢。

3 輸沙率測驗方法

輸沙率采用瓶式采樣器取樣，過濾法處理，施測流量時采用積深法取樣，同時計算單樣含沙量。由于河道情況特殊，在測驗斷面布設4條采樣垂線，分別是起點距35.0 m、40.0 m、45.0 m、50.0 m處，分析計算各條垂線單樣含沙量，再利用單樣含沙量推求懸移質斷面平均輸沙率及斷面平均含沙量，測驗過程比較繁瑣。為了簡化程序，提高工作效率，采用多年來的輸沙率變化規律，率定出斷面平均含沙量與單樣含沙量之間的關系，用單位含沙量直接推算斷面平均含沙量。

《河流懸移質泥沙測驗規范》(GB/T 50159-2015)[5]規定：采用積深法測定垂線平均含沙量，應按下式計算斷面輸沙率及含沙量。

Qs=Csm1q0+q1(Csm1+Csm2)/2q1+q2(Csm1+Csm2)/2
+…+qn-1(Csmn-1+Csmn)/2+Csmnqsmn)

(1)

Cs=Qs/Q

(2)

式中：Qs為過水斷面內的懸移質輸沙率；Csm1為第一條采樣垂線的平均含沙量；Csm2為第二條采樣垂線的平均含沙量；Cs為斷面上某一測點的單樣含沙量；qn為部分流量。

4 單斷沙關系分析

4.1 技術依據及資料選取

按照《河流懸移質泥沙測驗規范》的規定[5]，測沙垂線一般不少于5條，有較大洪水時垂線布設多達10條以上。由于徑流量主要在5月～10月，輸沙率也相應的此期間測驗，每年取樣一般不少于15次，在計算分析時，嚴格按照上述規范的要求進行。本次選取該站2009年～2019年11年共60次輸沙率測驗資料進行單斷沙關系分析，資料來源于永寧鎮水文站輸沙率實測資料，并已整編為成果。所選取的資料變化規律相似，代表性較強。實測輸沙率成果表見表2。

表2 永寧鎮站單斷沙測驗成果表 單位：kg

4.2 單斷沙關系分析

斷面平均含沙量與某一垂線的單樣含沙量具有一定的關系[6]。在現行的單斷沙關系分析上，主要采用的是相關分析法。點繪該站近十年的單斷沙綜合關系曲線見圖5。由圖5可以看出，單斷沙綜合關系曲線和歷年關系曲線基本重合，采用一元回歸曲線對單斷沙關系曲線進行分析，分析結論能達到要求。按照《河流懸移質泥沙測驗規范》的規定，分析時，將這11年60次輸沙率實測資料按含沙量大小分成10個量級，量級劃分見表3，計算得相關系數R2=0.9998，分析出歷年綜合單斷沙關系換算系數0.9964。經過推沙結果驗算，換算系數精度能滿足要求。

表3 實測輸沙率按沙量分級 單位：kg/m3

圖5 永寧站歷年單斷沙關系綜合線

4.3 單斷沙關系線偏離分析

各年泥沙整編采用換算系數與綜合單斷沙關系換算系數誤差分析見表4。按照《河流懸移質泥沙測驗規范》要求，如果偏離誤差在±5%以內，說明本次分析的換算系數滿足要求。經過表4中的誤差分析統計，且與歷年綜合單斷沙關系比較，歷年單斷沙關系線與綜合關系線偏差均在1%以內，由于資料整編普遍采用《南方片資料整編軟件5.0版本》，在做含沙量計算時，基于最小二乘法原理[7]計算的，所以本次分析出的單斷沙關系換算系數精度較高，換算系數可取K=0.9964。

表4 單斷沙換算系數誤差分析

5 結語

通過對永寧鎮水文站的單斷沙關系分析，將該站近十年來的輸沙率資料進行計算，得出該站單斷沙關系換算系數，利用分析得出的系數進行推沙計算，結果表明：單斷沙關系相關性較好，按照《河流泥沙測驗規范》的要求，換算系數符合規范規定，《水文巡測規范》(SL 195-2015)[8]規定：如果經分析計算，該站輸沙率達到規范規定的要求，那么該站輸沙率可以實行間測或者停測。建議：永寧鎮水文站輸沙率停測，只測單樣含沙量。利用換算系數推沙，可作為永寧鎮水文站輸沙率實行停測的基本依據，達到解放人力、提升工作效率的作用。