信江梅港水文站水位流量變化特征研究

韓建軍，蔣志兵，程麗華，鄭峰濤，羅星星

(1.信江饒河水文水資源監測中心，江西 上饒 334000； 2.江西省水利發展研究中心，江西 南昌 330029)

0 引 言

隨著經濟社會的快速發展和人類活動的加劇，水資源運動變化規律發生了較大變化，洪澇災害、干旱缺水、水環境惡化、水土流失等更加頻繁，嚴重威脅人民群眾的生命財產安全。因此，興水利、除水害，保護利用好水資源和水生態環境，是一項長期而艱巨的任務。

近年來，人類活動對河道的影響主要表現為改變流域植被覆蓋、興修水利工程、城市化、河道采砂等，使河流水文要素特性不斷發生變化。因此，應及時了解掌握河流水文要素變化規律，分析對水文特征的影響程度，探求水位流量關系變化趨勢。曾倩倩等[1]對渣津水文站測流斷面變化及水位流量關系進行了分析，探求渣津水文站流量測驗現狀及歷年變化情況，為進一步提高流量測驗精準度提供了參考。劉同宦等[2]通過分析鄱陽湖五河入湖水沙通量及典型斷面形態變化特性，表明水利樞紐工程、水土保持工程和人工采砂是影響五河入湖泥沙通量和河道形態的主要人為因素。施修端等[3]對城陵磯站水沙及水位流量關系變化進行了分析，結果表明該站斷面年際變化呈淤積狀態，從1988年起出現沖刷趨勢，水位流量關系歷年變化，同水位下高、中、低水泄洪能力均呈減小趨勢，同流量下低、中水水位均有不同程度的抬高，高水變化趨小。葉忠偉[4]采用水位流量關系曲線的數學模型，利用計算機分析系統進行實例模型的建立和參數擬合，得出關系曲線擬合方程，利用函數關系對流量數據進行自動計算。趙軍凱等[5]通過分析人類活動對鄱陽湖水位變化的影響，顯示長江干流上游水庫群調節對鄱陽湖水位影響存在時空差異，人工采砂活動對鄱陽湖水位的影響在枯季(尤其是冬季)影響更明顯。

水文事件具有隨機性和不確定性，同時，隨著人類活動的多樣性和復雜性日益增加，如何建立多因素影響下的水位流量關系模型仍是一個難題。本文以江西信江流域控制站梅港水文站為研究對象，對該站水位、流量、大斷面等各項水文資料進行統計分析，探求導致水位流量關系變化的成因，分析對水文特征的影響程度及其變化特征。

1 研究區域概況

1.1 河道概況

信江發源于江西省玉山縣境懷玉山的玉京峰[6-7]，上饒市信州區以上稱為玉山水，豐溪河匯入后始稱信江。干流自東向西蜿蜒而下，橫貫江西省東北部，在余干縣大溪渡分為東西兩支，于珠湖山、瑞洪注入鄱陽湖。信江干流上已建水利樞紐(閘壩)主要有信州水利樞紐、弋陽紅旗閘壩樞紐、九牛灘水輪泵站樞紐、界牌航電樞紐、信江八字嘴航電樞紐等工程。

1.2 測站概況

梅港水文站于1952年4月設立[8]，為信江流域控制站，控制流域面積15 535 km2，觀測項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發、水溫、水質等，測站在流域所處位置見圖1。建站以來實測最高水位29.84 m(1998年)，最低水位15.78 m(2019年)；實測最大流量13 800 m3/s(2010年)，最小流量4.14 m3/s(1997年)。

圖1 梅港站地理位置Fig.1 Location of Meigang Station

測驗河段較順直，上、下游有彎道，河槽呈W形，河床由巖石、細沙、淤泥組成，左岸為巖石，右岸為圩堤。斷面上游約23 km處界牌航運樞紐工程對該站枯水測驗影響較大。上游約300 m處有一小溪匯入。下游約160 m處左岸有石山礬頭，高水時有回流現象，對岸邊部分流量測驗有一定影響。當水位在22.50 m以上時，下游約800 m處有一中心洲，將水流分成左右兩支，主流在右支。

2 斷面沖淤變化分析

采用梅港站1965～2020年連續56 a汛前實測大斷面資料，通過對歷年汛前實測斷面、水位面積關系曲線、同水位級下斷面面積變化、平均河底高程、深泓點高程和深泓位置進行對比分析，研究測站斷面形態變化情況。

2.1 斷面變化分析

點繪研究時段內梅港水文站測流斷面形態的年際變化，見圖2。從圖2可知：1965～2011年斷面較穩定，受1998年洪水影響，斷面局部略有沖淤交替(1999～2011年)，無明顯變化。2012年開始斷面變化較大，主要是受河道采砂影響。

圖2 梅港站大斷面年際變化Fig.2 Annual change of large section of Meigang Station

2.2 特定水位級下過水面積分析

根據實測斷面資料，計算出歷年各水位級斷面面積，點繪1965～2020年歷年水位面積曲線變化圖，見圖3。分析統計梅港水文站低、中、高水位分別為19.00，22.00 m和25.00 m，低、中、高水位級面積年際變化值及累積變化值(按逢0逢5年份統計)見表1。

圖3 梅港站水位面積關系年際變化Fig.3 Annual change of the relationship between water level and area at Meigang Station

表1 梅港站同水位級面積年際變化值及累積變化值Tab.1 Inter-annual and cumulative changes of Meigang Station’s area at the same water level

從圖3和表1可以看出：1965～2020年低、中、高水位級下過水面積累積增加了1 548，1 530 m2和1 550 m2，面積增大明顯，在分析時期內，斷面處于沖刷狀態。特別是2012年開始，斷面主河槽呈明顯下切趨勢，低水位級下切趨勢更突出。2012年低、中、高水位級下的過水面積累積分別增加了478，470 m2和510 m2。

2.3 深泓位置分析

統計多年平均水位19.08 m下深泓點的橫向距離，繪制其歷年深泓位置擺動趨勢，見圖4。由圖4可知，梅港水文站1965～2011年深泓點位置在距起點距107 m處左右擺動；2011年以后，深泓點位置擺動到距起點距192 m處，橫向擺動較大，達85 m。

圖4 梅港站歷年深泓位置擺動趨勢Fig.4 Trend of thalweg swing at Meigang Station over the years

2.4 平均河底高程和深泓點高程分析

統計多年平均水位19.08 m下1965～2020年(以5 a為間隔)平均河底高程和深泓點高程，見表2。繪制歷年平均河底高程和深泓點高程變化過程線，見圖5。

3.3 低學歷者是社會支持的弱勢人群 本次調查發現，文化層次低者客觀支持、主觀支持均較高，而利用度低;而文化層次高者客觀支持、主管支持均較低，而利用度高。可以理解為文化程度不高者，對疾病知識匱乏，日常護理中很難采取正確的應對機制，或遇到問題束手無策，更不會主動尋求周邊資源的幫助，容易產生負面情緒。醫護人員應發揮專業角色的作用，加強對此類人群的干預，以提高他們的社會支持度。

表2 梅港站平均河底高程、深泓點高程年際變化及累積變化值Tab.2 The average river bottom elevation，interannual change and cumulative change value of thalweg elevation at Meigang Station m

圖5 梅港站歷年平均河底高程及深泓點高程變化Fig.5 Change of average river bottom elevation and thalweg of Meigang Station over the years

由圖5和表2可知，2010年以前歷年平均河底高程年際變化在0.20 m以內，2010年深泓點高程累積變化0.27 m。從圖5可以看出，歷年平均河底高程呈周期性變化，周期約為10 a；1990年以前斷面最低點較穩定，1990年后變化較頻繁。通過上述分析可知，2011年前梅港站斷面穩定，沖淤變化小，斷面沖淤呈波浪形變化，受1998年洪水影響斷面局部沖刷，2011年以后斷面受采砂影響，平均河底高程驟降0.97 m。至2020年斷面平均高程累積下切3.66 m，深泓點累積下降4.49 m。

3 水位流量關系變化分析

梅港站水位流量關系主要受斷面變化、洪水漲落、界牌航電樞紐工程及鄱陽湖回水頂托影響，水位流量關系低水為臨時曲線，中高水為繩套曲線。根據梅港站1956～2020年共65 a歷年實測水位、流量資料，以模擬水位與實測水位的離差平方和最小為目標函數，利用Excel規劃求解功能對歷年實測數據擬合，確定歷年水位流量關系曲線，見圖6。從圖6可以看出，1956～2001年水位流量關系曲線基本穩定，2002年開始逐年右移，相同水位下，流量變大。

圖6 梅港站歷年水位流量關系線Fig.6 The relationship between water level and flow of Meigang Station over the years

3.1 同水位級下流量變化分析

(1) 相同水位下流量變化分析。根據每年水位流量關系曲線，分析統計梅港站低(19.00 m)、中(22.00 m)、高(25.00 m)水位下的流量，各水位級對應最大、最小流量值見表3。低、中、高水位級流量年際變化值、累積變化值及相對誤差(按逢0逢5年份統計)見表4。梅港站1956～2001年水位流量關系曲線基本穩定，2002年開始流量逐年慢慢變大，至2012年變大明顯，低、中、高變化值分別為419，636 m3/s和679 m3/s，相對誤差分別為117%，30.4%和13.8%。

表3 梅港站同水位級下最大最小流量值統計Tab.3 Statistics of the maximum and minimum flow under the same water level at Meigang Station

表4 梅港站同水位級下代表年流量統計Tab.4 Statistics of flow values under the same water level at Meigang Station

從表3～4可以看出，高、中、低水位級對應的最大流量與最小值倍比為1.5～3.8倍之間。低、中、高水位級下流量累積增大值分別為839，1 397 m3/s和1 620 m3/s，累積年均變率為4.20%，1.14%，0.54%。相對誤差分別為242%，69.3%，33.8%，水位越高，相對誤差越小，以相對于1956～2001年流量均值的相對誤差絕對值作為收斂值，各水位級收斂值基本都在10%以內，水位越高，水位流量關系越穩定，收斂程度越集中。

(2) 多年平均水位級下流量變化分析。梅港水文站多年平均水位為19.08 m，根據歷年水位流量關系曲線推求其流量值，均值采用1956～2001年多年平均水位對應的流量求得，多年平均水位級下流量變化趨勢見圖7。

從圖7可以看出，在多年平均水位級下，1956～2001年相應流量基本穩定，2002年開始相應流量逐年變大。

圖7 梅港站多年平均水位級下流量變化過程線Fig.7 Flow variation process at Meigang Station under the average water level

3.2 同流量級下水位變化分析

(1) 相同流量的水位變化分析。根據每年的水位流量關系曲線，本次分析因各年份出現的最大流量不一致，故采用固定流量值1 000，3 000 m3/s和5 000 m3/s作為代表流量，按各代表流量統計水位，相應最高最低水位見表5。統計各代表流量相應水位變化見表6。

表5 梅港站同流量級下最高最低水位值統計Tab.5 Statistics of the highest and lowest water level values under the same flow level at Meigang Station

表6 梅港站同流量級下代表年水位統計Tab.6 Statistics of water level of the representative year under the same flow level of Meigang Station

從表5，6可以看出，1 000 m3/s流量級最高與最低水位差值為1.90 m，水位多年累積下降1.78 m，累積年均變化-0.03 m，相對誤差-8.33%；3 000 m3/s流量級最高與最低水位差值為1.86 m，水位多年累積下降1.66 m，累積年均變化-0.03 m，相對誤差-6.98%；5 000 m3/s流量級最高與最低水位差值為1.90 m，水位多年累積下降1.49 m，累計年均變化-0.02 m，相對誤差-5.80%。

(2) 多年平均流量級下水位變化分析。梅港水文站多年平均流量為568 m3/s，根據該站歷年水位流量關系曲線反查其水位值，采用1956～2001年多年平均流量對應的水位計算均值，多年平均流量級下水位變化趨勢見圖8。

圖8 梅港站多年平均流量級下水位變化過程線Fig.8 Water level change process of Meigang Station under the average flow level

從圖8可以看出，在多年平均流量級下，1956～2001年相應流量變化不大，2002年開始相應水位逐年下降。

綜合上述分析可知，梅港站1956～2001年水位流量關系曲線基本穩定，從2002年開始逐年右移。這是因為測驗斷面下游約500～1 000 m范圍河段陸續出現無序采砂，河床逐年下切，河道縱比降增大，2011年以后采砂范圍到了斷面上下游200 m，采砂船只增多。受此影響，水位流量關系增大更為明顯。

4 結 論

通過對梅港水文站歷年實測斷面圖、斷面面積、斷面深泓點高程、河底平均高程及歷年水位流量關系分析，得出如下結論。

(1) 以2012年為分界點，2012年以前該河段河床相對穩定，沖淤交替。受采砂影響，2012年開始斷面面積、河底高程、斷面深泓點變化明顯。

(2) 1956～2001年水位流量關系曲線基本呈復雜多值關系。從2002年開始，因河道采砂逐年沖刷影響，在多年平均軸線下水位流量關系逐年右移。

(3) 受河道采砂等人類活動影響，河床總體呈下切趨勢，該站控制條件發生了相應變化，水位流量關系呈趨勢性變化，表現為同水位下的流量以增大趨勢為主，2012年開始測驗斷面上下游采砂現象更為嚴重，致使水位流量關系增大明顯。由此可知，人類活動對水位流量關系的影響較為深遠。