人類活動影響下的工程懸移質來沙量計算方法探討

井 涌，王紅艷，古明興

（陜西省水文水資源勘測中心,陜西 西安 710068）

1 問題

大規模持續人類活動對流域產水產沙造成數量增減上的顯著影響,主要包括流域內興建的水利、水保及土地開發建設工程等。各種庫壩工程及河道引水工程的修建,使流域所產生的泥沙攔蓄在水庫或淤積于灌溉農田之中；梯田、造林、種草等水保措施均可減輕流域侵蝕,從而減少流域產沙量；開礦、修路及城鎮建設向溝道河道的棄土棄渣又人為地增加了河道的輸沙量。

2000 年后,陜西省黃河流域河流年輸入黃河的泥沙量較1979 年前,年均減少約2.5 億t[1-2]。據新編《陜西省水文手冊》93 個20 年以上實測泥沙水文站的系列資料[3][4],分析人類活動影響顯著的“拐點”后期較前期,多年平均年輸沙模數減少50%以上的站42 個、占45%,減少35%以上的站70個、占75%。

水文站實測輸沙量的銳減,以及愈來愈多研究表明,這種銳減是人類活動與氣候變化共同作用下累積導致流域產水產沙環境條件發生不可逆變化的結果[5-7]。因此,工程設計斷面處的多年平均年輸沙量,既不能簡單用人類活動影響顯著的“拐點”前期輸沙模數計算,以免造成設計淤積死庫容過大,加大不必要的投資成本,也不能簡單用“拐點”后期參數計算,以免可能產生設計淤積庫容不足,帶來遠期風險。

實際工作中應充分考慮人類活動對流域產沙、輸沙的影響,根據具體情況采用恰當的方法做必要的修正,使之更加切合實際。

2 影響期分析確定

2.1 分析方法

人類活動在時空分布上具有不均勻性和不確定性,這種特性使流域原本自然的產沙機理和泥沙運移規律及其時空分布過程發生了改變。在現狀資料條件下,很難對人類活動影響的諸因素分別進行定量化的分析計算。

分析確定人類活動顯著影響流域懸移質輸沙量的“拐點”是尋找修正這種影響的基礎。本文采用新編《陜西省水文手冊》中選用的93 個水文站20 年以上實測泥沙系列資料,并進行部分站渠道引沙和水庫淤積量逐年還原后,點繪各站年輸沙量單累積曲線,以曲線斜率突變處確定拐點年份的方法,分析確定各站的影響期。例如,馬湖峪站輸沙量累積曲線見圖1,曲線斜率突變處確定為拐點年份是1970 年。

圖1 馬湖峪水文站年輸沙量單累積曲線圖

2.2 影響期確定

93個選用水文站確定的拐點年份及特征值統計見表1,表中僅列了少部分水文站,詳見新編《陜西省水文手冊》[4]。

表1 選用水文站人類活動影響顯著的拐點前、后期特征值統計表

93 站中大部分40 年以上系列站的拐點年份在1970 年前后。綜合分析確定,陜北地區多在1970年前后、關中和陜南地區多在1970 年或1980 年前后,為人類活動影響顯著的拐點前、后期。

為了全省范圍統一協調考慮繪制相同資料系列輸沙模數圖及地形地貌等因素,統一采用1956 年~2012 年和1970年～2012 年同步長、短57 年和43 年系列,分別勾繪了長系列及1970 年~2012 年同步短系列人類活動顯著影響后期的懸移質輸沙模數分區圖,連同表1“選用水文站人類活動影響顯著的拐點前、后期特征值統計表”,供無資料且人類活動影響顯著地區估算設計工程多年平均年輸沙量使用。

3 工程懸移質來沙量計算方法

3.1 常用方法

1）有實測資料

設計計算斷面有20年以上實測年輸沙量系列資料,或采用本站流量與懸移質輸沙率（量）,設計站與參證站懸移質輸沙量相關關系,考慮兩者的差異插補延長到20年以上系列資料時,可用下式計算多年平均懸移質年輸沙量：

式中：WS為多年平均懸移質年輸沙量,104t；Wsi為i年懸移質年輸沙量,104t；n為泥沙資料系列年數。

人類活動對設計斷面的輸沙量影響顯著時,可采用分別調查斷面以上各項水土保持措施,修路、開礦等減增沙量的分項調查法對資料進行一致性分析修正。

可根據工程設計要求和資料條件,進行下列有關內容的分析計算和設計：

（1）多年平均含沙量、多年平均年輸沙量及其年內分配。

（2）豐、平、枯不同典型年的年平均含沙量、年輸沙量及其年內分配。

（3）實測最大斷面平均含沙量及其出現時間,最大、最小年輸沙量及其出現年份。

（4）多年平均和多年汛期平均顆粒級配,平均粒徑、中數粒徑、最大粒徑及礦物組成。

（5）泥沙地區分布。

2）無實測資料

無實測資料且人類活動影響小的地區,一般可用以下2種辦法估算工程設計斷面處的多年平均年輸沙量。

（1） 水文比擬法

當工程所在河流無實測泥沙資料,而設計流域自然地理及產水產沙條件與現有某水文站流域條件接近或相似時,可以該水文站作為參證站,利用參證站的輸沙模數推求設計流域多年平均懸移質輸沙量。

本方法的關鍵在于選擇一個適當的參證流域。選擇參證流域時,須考慮流域的自然地理、氣候及水文下墊面產沙類型,以及人類活動影響程度的相似性。

設計流域多年平均懸移質輸沙量可按下式估算：

式中：MSC為參證水文站流域多年平均懸移質輸沙模數,t/km2；為單位換算系數；其它符號意義同前。

工程設計斷面控制流域與參證站若在同一流域,并且控制流域面積與參證站流域面積相差在±15%以內時,其輸沙模數可直接應用。流域面積相差±15%以上時,可按無資料地區方法進行計算。

（2）懸移質輸沙模數圖法

輸沙模數,即流域單位面積的輸沙量,是判斷流域表面侵蝕程度的一個重要指標,它反映不同產沙地類條件下的流域表面侵蝕情況。懸移質多年平均年輸沙模數可由式（3）計算[8]：

式中：MS為多年平均懸移質輸沙模數,t/km2,其它符號意義同前。

一般懸移質泥沙輸沙模數圖是根據選用的水文站還原后的輸沙量系列資料,計算出各站多年平均懸移質輸沙量模數,將其點匯在相應的流域重心處,以主要點據為依據,考慮暴雨強度及地形、土壤,植被、地質等自然因素,以及人為毀林開荒等影響勾繪而得。依據139個水文站的資料,勾繪的“陜西省1956年~2012年和1970年~2012年懸移質多年平均年輸沙模數分區圖”詳見《陜西省水文手冊》。

查用懸移質多年平均輸沙模數分區圖,應根據設計流域位置先在年輸沙模數分區圖上查出相應的輸沙模數,再乘以設計流域面積,即得設計流域的懸移質多年平均輸沙量。

采用輸沙模數分區圖算得的成果比較粗略,使用時應進行流域調查并作全面的分析修正。

3.2 人類活動影響顯著無資料地區計算方法商討

3.2.1 修正水文比擬法

當人類活動顯著影響無資料地區流域輸沙量計算時,可采用表1“選用水文站人類活動影響顯著的拐點前、后期特征值統計表”中的修正系數進行修正。一是可直接采用選用的參證站拐點后期輸沙模數,不用修正估算；二是可再選取選用參證站拐點前期輸沙模數乘以相應修正系數,再與采用拐點后期輸沙模數估算值比較,并結合流域實地調查綜合確定合理的設計估算值。

3.2.2 修正輸沙模數圖法

采用上述無資料懸移質輸沙模數圖法中,勾繪的2 張長、短系列輸沙模數分區圖查算,若人類活動影響顯著,需要考慮修正的問題。為此,在分析確定93 站受人活動及氣候等自然條件綜合影響輸沙量突變的轉折年前后修正系數的基礎上,對各單站修正系數進行綜合分析,給出了我省陜北、關中、陜南三大水文分區的綜合相對修正系數,供無資料地區計算時參考,見表2。

表2 人類活動影響懸移質輸沙量綜合相對修正系數表

在使用時應注意,分區綜合統計去掉了部分站特大值或特小值。若采用1956 年~2012 年長系列懸移質多年平均輸沙模數分區圖查算,需選取合理修正系數修正；若采用1970 年~2012 年短系列輸沙模數分區圖查算,可不再修正,或考慮選取相對長系列選用修正系數較小的修正系數嘗試修正,最后需要根據工程運行安全,設計壽命,投資成本等,并結合流域調查綜合考慮確定。

3.2.3 雨沙模型法

降水和流域下墊面地形地貌是流域土壤侵蝕和產水產沙的主成因子,以主成因子為參數研究構建水文站單站雨沙模型,并進行降水和下墊面地類參數的地區綜合,進一步建立流域雨沙模型,就可以應用模型從理論上計算流域“天然”懸移質輸沙量,進而比照分析得出較為合理的人類活動顯著影響的修正系數。

《陜西省水文計算手冊》[4]提出并構建了流域雨沙模型結構見下式：

式中：MS為某設計流域多年平均輸沙模數,t/km2；B為水文分區參數；N為某設計流域的地類數；i為流域內單一地類面積權重；Ci為某產沙地類產沙參數,t/km2；Xs為某設計流域多年平均產沙降水指標；m為與水文分區降水特征有關的參數；其他符號意義同前。

4 討論

人類活動顯著影響無資料地區流域設計斷面多年平均年輸沙量的計算是一個很復雜的技術難題。本文嘗試提出的修正常用水文比擬和輸沙模數圖法,主要僅供我省中小河流無資料地區設計估算時參考,強調需在全面調查分析設計流域人類活動影響狀況的基礎上分析估算,還可在2方面改進。

（1） 表2“人類活動影響懸移質輸沙量綜合相對修正系數表”中的相對修正系數,可考慮進一步細化陜北北部、中部、南部；關中秦嶺北麓、渭河北；陜南漢江南、漢江北,嘉陵江分區的系數,更便利應用于中小河流。

（2） 研究構建我省流域雨沙模型。從理論和實踐上,提升計算全省各地流域懸移質泥沙天然輸沙量,推求人類活動顯著影響修正的技術水平。