青泥灣水文站輸沙率要素的間測分析

樊軍文

（商洛水文水資源勘測中心,陜西 商洛 726000）

水文巡測是傳統水文走向現代化水文的重要標志,是水文發展的方向。《水文巡測規范》（SL 195-2015）對水文站的流量、泥沙等項目實行巡測規定了條件,只要滿足規范要求就可以開展巡測、間測工作。《水文現代化建設規劃》《水文基礎設施建設十四五規劃》明確提出大力推進駐測、巡測步伐,提升水文測報現代化。開展對水文站測驗要素的精度分析,為開展巡測、減輕工作強度打好基礎。故本文對青泥灣水文站的泥沙要素測驗進行分析。

1 概況

青泥灣水文站位于陜西省鎮安縣永樂鎮的乾佑河,控制河長50.9 km,距河口距離59.8 km,控制流域面積1369 km2,設立于1959 年1 月,受水電站削峰和引水發電綜合影響,2003 年1 月斷面上遷1870 m。監測要素有水位、流量、泥沙、泥顆、降水量、蒸發、水質等。

從1959 年～2022 年已積累水文資料64 站年。其中斷面上遷后積累泥沙資料12 年。新址斷面受下游400 m 攔水壩控制,河床穩定,無分流、分汊,洪水期主流也基本穩定。

乾佑河發源于秦嶺山脈終南山主峰南麓,經柞水、鎮安、在安康市旬陽市小河鎮兩河關村匯入旬河。乾佑河屬漢江水系,是漢江二級支流,全長148.3 km,流域面積2504.8 km2。流域發育較對稱,呈樹葉形狀。

2 水沙特性

二十世紀六七十年代由于林木砍伐過度,造成乾佑河流域水土流失嚴重,含沙較大,其中1970 年出現最大含沙量310 kg/m3,1966年出現次大含沙量為287 kg/m3。九十年代以后,國家實行退耕還林政策,特別是2007 年《陜西省秦嶺生態保護條例》頒布以后以及貫徹“習近平總書記提出的綠水青山就是金山銀山”的發展思想以來,流域植被越來越好,生態保護成效顯著,河道泥沙逐漸減少,年輸沙量也逐漸趨于穩定。2003 年斷面上遷以來,2005 年8 月15 日發生建站以來第四大洪水,洪峰流量達1080 m3/s,實測最大含沙量為25 kg/m3,較六、七十年代含沙量顯著減少。

從雨洪規律分析,暴雨產生的洪水強烈侵蝕流域面上的土壤,形成高含沙洪水,年最大沙峰一般出現在汛期第一場洪水,出現洪峰流量越大含沙量相對也越大,水沙特性基本一致,暴雨洪水是決定河水含沙量大小的主要因素。隨著流域內植被的恢復、生態的修復,含沙量逐年下降,近10 多年含沙量未超出30 kg/m3。

3 懸移質輸沙測驗方法、歷年單斷沙關系

青泥灣水文站設立之年開始進行懸移質單沙、斷沙要素監測,1959 年～1992 年在原斷面測取泥沙,2003 年開始至今在上遷的斷面監測。其中,2006 年～2010 年受高速路工程建設影響泥沙停測,2011 年恢復泥沙測驗。截止2022 年已連續泥沙測驗12 站年。

單斷沙關系線基本上呈現45°線。個別年份,因漲水次數少,輸沙測次不夠,采用近似法（按45°線）進行資料整編。

4 分析思路

泥沙測驗實行駐測、巡測、間測、停測,要通過分析確定。青泥灣水文站為駐守站,為減輕工作強度,通過分析,對泥沙測驗進行間測。間測是指水文測站資料經分析證明水文要素間歷年關系穩定或其變化在允許誤差范圍內,對其中一要素停測一段時期后,再行施測的測停相間的測驗方式。

《河道懸移質泥沙測驗規范》（GB/T 50159-2015）第8.1.4條：二、三類站當有5 年～10 年以上資料證明,實測斷面平均含沙量變幅占歷年變幅70%以上,水位變幅占歷年水位變幅80%以上時,可實行間測。

《水文巡測規范》（SL 195-2015）第4.2.7 條：各類泥沙站各年的單沙斷沙關系線與歷年（5 年～10 年或10 年以上）單沙斷沙綜合關系線相比較,如果各年關系線偏離綜合線在最大值均在±5%以內,則測站的懸移質輸沙率可實行間測。

依據《規范》對青泥灣水文站近12 年以來實測單沙、斷沙關系,分析含沙量變幅和水位變幅,分析歷年單沙斷沙關系偏離綜合線誤差,如果滿足規范規定,則可以實行間測。

5 單斷沙關系分析

5.1 資料選取

選取2011 年～2022 年青泥灣水文站12 年實測單斷沙116 次。輸沙率測驗方法為斷面均勻布設垂線,垂線取沙為積深法,單沙位置固定,取樣方法一致。

5.2 沙量、水位變幅分析

實測斷面平均含沙量變幅和歷年含沙量變幅、實測水位變幅和歷年水位變幅的關系見表1、表2。

表1 懸移質輸沙率的沙量變幅分析

表2 水位變幅分析

實測最大含沙量發生在2005 年,為25 kg/m3；2014 年發生次大含沙量,為18.4 kg/m3。含沙量變幅為73.6%,2005 年最高水位556.20 m,最大流量1080 m3/s；最低水位552.22 m。水位變幅為87.6%。

從表1、表2 中可以看出懸移質輸沙率的沙幅占歷年沙幅的73.6%大于《河道懸移質泥沙測驗規范》規定的70%,水位變幅占歷年水位變幅87.6%大于《河道懸移質泥沙測驗規范》規定的80%,符合《河道懸移質泥沙測驗規范》（GB/T 50159-2015）第8.1.4 條第一款之規定。

5.3 歷年綜合單斷沙關系線分析

將青泥灣站2011 年～2022 年的單斷沙實測成果點繪在一張圖上,繪制綜合單沙與斷沙關系圖。2011 年～2022 年共實測116 次,繪制綜合關系線。點子基本均勻分布在45°線兩邊,見圖1。經對比,相對誤差均沒有超過10%,最大相對誤差9.3%只有一次,其余均不超過5%,最小相對誤差為0。116 個測點沒有超過15%外包線,符合《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）第5.3.7 條的中高沙不應超過±10%、低沙不應超過±15%的定線要求。

圖1 青泥灣水文站單斷沙關系圖

把116 個實測點資料進行分組統計,取平均值,點繪單斷沙關系圖,關系圖正好接近于45°線,斜率y=0.9983x。

5.4 歷年關系線對照分析

圖2 歷年單斷沙關系曲線

圖3 2014 年單斷沙關系曲線

圖4 2016 年單斷沙關系曲線

圖5 2017 年單斷沙關系曲線

圖6 2018 年單斷沙關系曲線

圖7 2019 年單斷沙關系曲線

圖8 2020 年單斷沙關系曲線

圖9 2021 年單斷沙關系曲線

圖10 2022 年單斷沙關系曲線

表3 各年單斷沙關系線斜率表

從2014 年～2022 年單斷沙關系圖分析看,回歸方程斜率K基本等于1,誤差不超過0.05。

6 分析結果

經對青泥灣水文站2011 年～2022 年12 站年單斷沙關系分析,實測輸沙率的沙量變幅占歷年變幅70%以上,水位變幅占歷年水位變幅80%以上,關系呈45°單一線,符合《河流懸移質泥沙測驗規范》（GB/T 50159）第8.1.4 條第1 款泥沙實行間測的要求；歷年單斷沙綜合關系線相比較,偏離綜合線的最大均值在±5%以內,符合《水文巡測規范》（SL 195-2015）第4.2.7 條第c 款,輸沙率可實行間測的要求；2014 年～2022 年單斷沙關系圖回歸方程斜率K基本等于1,誤差不超過5%,說明單-斷沙關系穩定為45°線,符合《水文資料整編規范》（SL/T 247-2020）第6.7.3 條定單一線的規定。

由此得出青泥灣站輸沙率測驗可實行間測（即停測一段時期）的結論。

7 結語

通過分析青泥灣水文站泥沙測驗要素,輸沙率停測一段時期,很大程度減輕了水文站的工作強度,為下一步開展巡測、編制巡測方案提供了支撐依據,為提升水文巡測能力奠定基礎。通過此舉分析說明水文要素監測有規律可循,只要善于動手,善于思考,充分運用好《規范》,就能出成果,簡化了工作要求,減輕了工作強度,騰出更多的資源和人力在更多河流和區域開展水文監測,積累更多豐富的水文資料,為防汛抗旱、水資源管理、生態保護方面當好耳目、前哨和參謀。