高含沙洪水對水位流量關系影響探究

王志勇，孫建民

（黃委河南水文水資源局，河南 鄭州 450004）

1 前言

2018年7月黃河小浪底水庫進行了防洪預泄，小浪底水庫出庫站小浪底水文站最大含沙量達到435 kg/m3，流量達到4 490 m3/s，出沙時間較長，含沙量大，是這次防洪預泄的特點。從小浪底水文站的水位流量關系看，高含沙洪水對水位流量關系影響較大，因此對小浪底站高含沙洪水對水位流量關系特性的影響進行分析，以達到積累經驗，提高測報質量，更好地為防洪減災服務。

2 水位、流量過程

受小浪底大壩閘門變動影響，水位、流量過程變化較快，流量變動范圍約1 320～4 490 m3/s，見圖1。

圖1 小浪底水文站水位流量過程線圖

3 含沙量過程

整個含沙量過程分為兩個階段（圖2），第一階段7月3日到11日，含沙量約為0～150 kg/m3，第二個階段為7月11日到24日，含沙量約為20～435 kg/m3。含沙量大，出沙時間長，是這次調水調沙的特點。

圖2 含沙量過程線圖

4 水位、流量關系

小浪底站測驗河段為砂卵石河床，洪水期河床穩定，沖淤不明顯，含沙量不大的情況下，測驗河段水位流量關系為單一線。2015年小浪底水文站大水期間沒有含沙量，水位流量關系見圖3。

圖3 2015年小浪底水文站水位流量關系圖

2018年7月3-24日高含沙洪水期間小浪底水文站水位流量關系（圖4），實測流量點比較散亂，構不成單一水位流量關系。

圖4 2018年小浪底水文站高含沙洪水水位流量關系圖

5 高含沙對水位流量關系特性的影響

高含沙洪水會使洪峰流量沿程增大。從圖3、4可以看出，高含沙量對水位流量關系影響較大。為分析含沙量對水位流量關系特性的影響，下面分幾種情況進行探討。

5.1 含沙量大小對水位流量關系的影響

把含沙量57～71 kg/m3和111～117 kg/m3期間實測的流量分別都挑出來，點繪水位流量關系（圖5），圖上兩種相差較大的含沙量對水位流量關系沒有造成明顯不同，構不成兩個明顯不同的系列，因此含沙量不是決定水位流量關系的決定性因素。圖5上最右邊2個圓點是111～117 kg/m3期間實測的水位流量關系點，偏大的原因后面分析。

圖5 不同含沙量下的水位流量關系圖

5.2 漲、落沙過程對水位流量關系的影響

根據圖2含沙量過程線，分別點繪沙峰1前、后，沙峰2前、后水位流量關系實測點（圖6）。從整體上看，沙峰1、2落沙側，點位比較集中，大體上偏左，水位流量關系靠左；沙峰1、2的漲沙側，水位流量關系點位散亂，大體上偏右，水位流量關系靠右，就像圖5 中兩個偏大的點，經過查看都是處于漲沙側時期。結論：①沙峰前后，就是漲沙階段和落沙階段對水位流量關系影響是不一樣的。漲沙階段水位流量關系靠右，落沙階段水位流量關系靠左。②漲沙階段水位流量關系散亂，落沙階段水位流量關系相對集中。

圖6 沙峰前后水位流量關系圖

5.3 高含沙對水位流量關系影響的原因分析

5.3.1 原因

沙峰前后對水位流量關系影響的不同，可以從物理學角度去解釋。根據物理學的動量守恒定律：M1V1+M2V2=M1V11+M2V21。漲沙側后面的含沙量大于前面的含沙量，也就是M2>M1，當后面質量大的洪水趕上質量小的洪水時，質量小的洪水就會加速前進，這也是以前調水調沙時洪峰增值的原因之一。落沙側正好相反，前面洪水含沙量大于后面洪水含沙量，M1>M2，因此當質量小的洪水趕上質量大的洪水時，由于增加的動量小，也就不影響前面洪水的速度。因此按照這個理論分析落水側的水位流量關系應該和清水期間水位流量關系相一致。因此圖6中沙峰1后、沙峰2后的水位流量關系比較接近。

5.3.2 水位流量關系分析

根據上面分析的原因，對圖6沙峰前后水位流量關系進一步分析。

5.3.2.1 沙峰前水位流量關系

沙峰前實測點散亂原因：一是水的流速和后面高含沙洪水的動量增速有關，也就是后面洪水的含沙量增大越快，前面水的流速增加就越大，也就是和含沙量的增大速率有關，也就是說漲沙側含沙量增大速率不一致造成的流速增大不同而引起的點位散亂；二是大的漲落沙過程中包含小的漲落沙過程所致。

5.3.2.2 沙峰后水位流量關系

沙峰后水位流量關系：從理論上沙峰后水位流量關系應和清水時期水位流量關系相一致，但是還會出現個別點位偏大等原因，一是沙峰剛過時流速是逐漸減小的，相比清水時流速還是偏大的；二是因為落沙側也有小幅漲沙過程，擾亂了水位流量關系。

根據以上的原因分析，高含沙洪水的水位流量關系應根據含沙量過程漲沙側和落沙側考慮分別定線：①漲沙側定線：漲沙側定線參考往年或者前期較近的漲沙側水位流量關系點位，找相似的情況，主要參考含沙量大小及其增速等，結合實測點，綜合定線。②落沙側定線：落沙側定線參考往年或者前期較近的落沙側水位流量關系點位或者清水時期的水位流量關系，結合實測點，綜合定線。

例如：如圖6 中2 號線是漲沙側最大線，66、67、68 是實測點，數據見表1。66、67是沙峰2前數據，68是沙峰2后數據，68和67 比較，水位高出約0.50 m，流量大了1.20%，流速小了22.70%。沙峰前后改變的主要是流速大小，這也是上述原因分析的結果。67 實測時間是7 月14 日6∶57，68 實測時間是15 日11∶36，按照常規水位流量參考實測點見圖7，參考2號線走勢。根據上述分析的原因，定線參考沙峰前后，沙峰2 出現的時間為7 月14 日10∶00，水位流量關系應該分2 段，14 日10∶00 之前此段在沙峰前，水位流量關系可以參考2號線，14日10∶00之后參考沙峰1 后1 號線（見圖8）。68 是7 月15 日11:36 流量實測點，驗證了圖8的水位流量關系走勢。

圖7 參考實測點定水位流量關系圖

表1 沙峰前后數據對比表

圖8 參考沙峰前后定水位流量關系圖

6 結論與建議

6.1 結論

含沙量大小不是影響水位流量關系的決定性因素；沙峰漲落過程是影響水位流量關系的重要因素之一，沙峰前流速增大較快，水位流量關系偏右，沙峰后影響流速因素減小，水位流量關系偏左；高含沙洪水時期，水位流量關系應考慮沙峰前后分別定線。

6.2 建議

根據高含沙洪水的特點，提出以下建議：高含沙洪水期間，在線檢測主流流速的變化，提高測報精度；高含沙洪水期間，在線檢測主流含沙量的變化，確定沙峰前后分界，提高測報精度；分析往年資料，綜合考慮定線。