涇河流域紅河水文站泥沙測驗方式優化研究

蒙雅雯 崔建和

(黃河水利委員會西峰水文水資源勘測局，甘肅 慶陽 745000)

1 研究背景

基層水文站基本處于偏遠地區，在站駐測存在諸多不便。隨著經濟社會的發展，常規的水文測驗方式已經不能滿足社會需要。為了更好地解放人力，提升測報能力，不斷探索新的測驗技術及方式，是時代發展的需要。泥沙是表征河道沖淤變化、水土保持情況的主要元素，在水文測驗工作中占很大比例，泥沙測驗方式的優化，可以在很大程度上達到解放人力、提高工作效率的目的。祁向榮[1]通過分析單斷沙關系穩定性，對泥沙監測方式的改革進行了探討，從而大大減少了測驗工作中人力的投入；劉東生等[2]對長江流域水文站測驗方案進行了創新設計，研究認為應積極倡導新儀器、新設備，實現水文站測驗方式現代化，該方案通過幾年的實踐證明是可行的，為水文測驗工作方法的創新提供了技術支撐；王俊[3]認為水位、流量已經實現了現代化測驗，如何提高泥沙測驗技術將是難點，并通過大量的探索與實踐，不斷對泥沙測驗方式進行優化，取得了較好的效果；田瀛莉[4]通過分析茹河開邊站的水文系列資料，依據《水文巡測規范》(SL 195—2015)[5]對水文測驗改革提出了新的方式，但在泥沙測驗方式、新設備使用方面的研究有所欠缺；王晶娥[6]對彰武水文站的測沙垂線進行了分析精簡，從原來的15條垂線精簡為6條，通過實踐證明，精度能達到《河流懸移質泥沙測驗規范》(GB/T 50179—2015)[7]要求；部分學者[8-13]對涇河流域及其支流的徑流、降水量、蒸發量、水資源量進行了研究，但在泥沙測驗方式優化方面的分析較少。因此，本文在紅河水文站流量資料及前述學者研究的基礎上，對泥沙測驗次數進行精簡，推算方法進行改進，并提出新的優化方案，推動該站在水文測驗中由傳統的常年駐測逐步向巡測方向轉變。

2 測站概況

紅河水文站位于甘肅省平涼市涇川縣紅河鄉龍王橋村，集水面積1272km2，是國家三類精度水文站，設于涇河一級支流洪河下游，距河口(涇河)12km。區域內洪水主要來源于洪河干支流，主要由上游暴雨形成，且多發生在每年7—8月。水系形狀狹長，類似羽形，屬山溪性河流，河道縱比降大。

2.1 斷面情況

測驗河段為巖石河床，上覆較淺一層淤泥，沖淤變化較小。左岸為巖石陡坡，坡上是公路和黃土臺地，右岸為土質斜坡。主流居中且穩定，中高水受河槽控制，總體來說，斷面相對穩定。基本斷面上游110m處左岸有一干溝，上游345m處右岸有種籽溝匯入，暴雨時兩溝洪水兇猛，對該斷面測驗構成威脅。

2.2 水沙特性

紅河水文站6—9月徑流量占年徑流量的61.7%，受徑流分布不均勻影響，91.9%的泥沙分布在6—9月。流向基本順直，洪水時流急浪大，漲落急劇且漂浮物較多，沙峰滯后于洪峰。水位流量關系曲線受附加比降影響，含沙量橫向分布均勻，垂向變化很小，近似直線，單斷沙關系為歷年綜合線，系數為k=1.00。

3 泥沙測驗方式優化研究

3.1 資料的選用

由于紅河水文站2008年以前沒有測流纜道，洪水期基本采用均勻浮標和中泓浮標測流，由于基本斷面下游700m處修建的一小型涵洞水壩對水流有頂托作用，水位流量關系發生改變，以此為界限，紅河水文站水位流量關系可以綜合為兩個系列的單一線。由于受涵洞水壩影響，非洪水暢流期斷面呈逐年淤積狀態，相同水位下斷面面積逐漸減小，河底高程增大，并于2009年以后淤積減緩，趨于穩定。

近年來，通過植樹造林，水土保持狀況良好，因此選用2009—2018年的資料進行泥沙測驗方式優化分析，對選定的流量系列資料進行一致性分析，保證集水區域內下墊面、人類活動對河道斷面的影響、測站控制條件基本一致，并進行可靠性分析。所使用的資料均為經過水文資料整編刊印的資料，具有一定的代表性。

3.2 水文要素相關性分析

3.2.1 流量與含沙量相關性分析

3.2.1.1 流量的年內變化

點繪紅河水文站2009—2018年流量的年內變化圖，見圖1。由圖1可以看出，4—9月的流量明顯大于其他月份流量。資料顯示，紅河水文站的洪水期一般為每年的4—9月，其他月份是枯水期，洪水期流量明顯大于枯水期流量，全年徑流主要產生于洪水期。

圖1 紅河水文站2009—2018年的流量年內變化

3.2.1.2 含沙量的年內變化

點繪紅河水文站2009—2018年含沙量的年內變化見圖2。由圖2可以看出，含沙量與流量年內變化基本一致，泥沙主要產生于洪水期。其中4—6月平均含沙量小于10kg/m3，7—9月平均含沙量大于10kg/m3，夏季含沙量大于春季含沙量。

圖2 紅河站2009—2018年含沙量的年內變化

3.2.2 徑流量、輸沙量相關性分析

由于流量、含沙量年內變化基本一致，可從徑流量、輸沙量之間的關系切入，分析在一場洪水過程中徑流量與輸沙量之間的關系。根據洪峰劃分標準[14]，結合資料實際情況，對節選的洪水場次進行劃分，小洪水：Q<50m3/s；中洪水：50m3/s≤Q<300m3/s；大洪水：Q≥300m3/s。

因近年來一直屬于枯水年，流量較小，因此，只有小洪水和中洪水。對選取的洪水場次進行徑流量及輸沙量的計算，并分別點繪小洪水、中洪水節選場次中洪水量與輸沙量之間的關系見圖3、圖4。

圖3 紅河站小洪水洪水量與輸沙量關系

由圖3、圖4可以看出，小洪水、中洪水徑流量與輸沙量關系點據散亂，相關關系不好，無明顯規律可循。從流量大小上看，Q<50m3/s時，輸沙量大部分小于10萬t，由于流量較小，對流域的沖刷作用小，泥沙大部分來自河床；50m3/s≤Q<300m3/s時，流量增大，水流挾沙能力增大，泥沙來自流域沖刷和河床，輸沙量相對增大。河流中泥沙的多少還與產沙區域、土質情況、植被覆蓋率、地勢、人類活動等因素有關，由于各因素的綜合影響，徑流量與輸沙量兩者的變化相對獨立，有時徑流量小輸沙量反而大，有時徑流量大輸沙量反而小。綜上所述，一場洪水過程中僅用徑流量單一因素推求輸沙量不可行。

3.2.3 沙峰與洪峰相關性分析

涇河屬于黃河流域主要河流，是黃河的二級支流。在水沙特性方面與黃河具有高度的一致性。研究認為[15]，黃河流域在洪水演進過程中洪峰與沙峰的相對關系一般可分為3種情況：?洪峰在前沙峰在后，在2009—2018年的45場洪水中，有8場是洪峰先于沙峰進入涇河河道，占總數的17.8%，在這種情況下，洪水演進過程中沙峰的傳播時間遠大于洪峰的傳播時間；?洪峰在后沙峰在前，在所統計的洪水中，沙峰先于洪峰匯入涇河河道的有5場，占11.1%，在洪水演進過程中洪峰與沙峰的時差會逐步縮小；?沙峰與洪峰同步(水峰、沙峰相差2h以內)，在所統計的洪水中共有32場洪水沙峰與洪峰同時到達，占71.1%。2009—2018年紅河水文站水沙過程統計情況見表1。

表1 2009—2018年紅河水文站水沙過程統計情況

由表1可以看出，洪峰與沙峰出現時間一致的場次占統計總場次的71.1%，不同步的為28.9%，二者不一致主要是由黃河上游地區產流產沙本身的規律所決定的，以及洪峰與沙峰的傳播速度不同所致。從理論上講，河道洪水的流動屬于不穩定流，洪峰是以波的形式傳播，而泥沙運動則與水流平均流速有關，泥沙沿程傳播的規律受水沙特性和河道邊界條件共同作用，其規律極為復雜，因此本文選取洪峰與沙峰同步的場次進行分析研究。

3.2.4 流量與含沙量比例系數相關關系分析

選取紅河水文站2009—2018年洪水水文要素摘錄表，通過資料分析，發現漲水時流量與含沙量漲落變化過程基本對應，水流挾沙能力與降水強度、雨量分布、產沙區域有關，每次洪水含沙量大小與流量的大小有所不同，但變化過程的增減率基本一致，因而理論上利用流量的比例系數與含沙量比例系數建立相關關系來推求計算洪水含沙量，能反映含沙量的變化過程。構造流量、含沙量比例系數統計量：

(1)

(2)

式中：YQ為漲水段流量比例系數；Qi為漲水段某瞬時流量；CSt為某瞬時實測斷面平均含沙量;YCS為漲水段含沙量比例系數。

將復式洪峰區分開，分別計算流量、含沙量的比例系數，峰前最小值相同，兩峰峰谷點原則上按前峰落水計算。

洪水過程流量、含沙量比例系數相關關系見圖5、圖6，由圖5、圖6可知，其相關性均不夠理想。由于水流的運動方式與泥沙的運動方式不完全一樣，所以每一場水沙漲落過程中流量與含沙量的增減幅度不完全一致，故用流量、含沙量比例系數相關法推求一場洪水過程中的含沙量變化過程不可行。

圖5 洪水過程漲水段流量、含沙量比例系數相關關系

圖6 洪水過程落水段流量、含沙量比例系數相關關系

紅河水文站徑流量與泥沙主要產生于4—9月，因此將4—9月中有明顯水沙過程變化且同步的流量、含沙量過程摘出，計算各個水沙過程中同步的流量、含沙量由起漲到峰頂的平均增長率，建立流量、含沙量平均增長率關系，見圖7。

圖7 紅河站流量、含沙量增長率關系

由圖7可知，紅河水文站流量、含沙量增長率存在一定相關關系，其相關性R2=0.834，主要原因是河流中含沙量的增長與水流流速有一定關系，一般來說，流量增長越快，流速越大，含沙量增長越快。但其相關性仍未達到使用標準。

對紅河水文站上游小峴子、平泉、紅河3個雨量站的各個場次洪水相對應的降水量和本次洪水的徑流量、輸沙量分別建立相關關系，分析降水對紅河水文站上游產流產沙的影響，回歸分析結果見表2～表4。

表2 紅河水文站多參數綜合數據

表3 降水量與徑流量回歸統計情況

表4 紅河站上游雨量站回歸參數統計

由表2～表4可以得出紅河水文站降水量與徑流量相關方程為

Y=2.21x1-0.47x2+1.14x3

(3)

式中：Y為紅河站徑流量，萬m3；x1為小峴子降水量,mm；x2為平泉降水量,mm；x3為紅河降水量,mm。

其相關系數R2=0.538,相關性較差，說明降水量與徑流量沒有較好的相關關系。同理，計算得出的降水量與輸沙量相關系數R2=0.160，無相關關系。

4 結 語

本文基于涇河流域紅河水文站發生洪水時流量與含沙量漲落變化基本相對應的特性進行研究，選用洪水過程中流量、含沙量對應點的增減變幅比例建立相關關系，對紅河水文站泥沙測驗方式進行分析。結果表明，紅河水文站小洪水、中洪水徑流量與輸沙量關系點據散亂，相關關系不好，用徑流量單一因素推求輸沙量不可行；流量與含沙量漲水段、落水段比例系數相關性均不夠理想，故用流量、含沙量比例系數相關法推求一場洪水過程中的含沙量變化過程不可行；紅河水文站流量、含沙量增長率存在一定的相關性，但尚未達到使用標準，其具有一定相關關系的原因是河流中含沙量的增長與水流流速有一定關系，一般來說流量增長越快，流速越大，含沙量增長越快，且流速與降水強度一般成正比，降水強度越大，流速越大。因此，建議在下一步研究中加入降水參數，從降水強度方面再作進一步的分析，研究是否可以建立更好的相關性。