烏龍磯站水文特性分析

1 海委引灤局烏龍磯水文站 河北承德 067400；

2 海委引灤局水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心 河北唐山 064309

摘要：本文基于實(shí)測(cè)資料，總結(jié)了烏龍磯站各水文要素的一般規(guī)律。通過(guò)對(duì)基本斷面演變的分析及斷流水位推求，探討了測(cè)站水文泥沙特性及規(guī)律，并對(duì)今后測(cè)驗(yàn)工作開(kāi)展提出了建設(shè)性意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：水文特性；斷面演變；斷流水位；水沙特性；烏龍磯站

1 概況

烏龍磯水文站位于河北省承德縣境內(nèi)、灤河干流中游，控制流域面積30100Km2。上有伊遜河、武烈河、老牛河等支流匯入，下有柳河、瀑河等支流入?yún)R。該站始建于1983年，作為潘家口水庫(kù)在灤河干流上的入庫(kù)控制站，也是國(guó)家首批重點(diǎn)水文站，承擔(dān)著灤河干流水文測(cè)驗(yàn)及向潘家口水庫(kù)和國(guó)家防總報(bào)汛的重要職責(zé)。測(cè)驗(yàn)任務(wù)包括降水、蒸發(fā)、水位、流量、水溫、冰凌、懸移質(zhì)輸沙率等項(xiàng)目。

2 基本水文特性

2.1 降水

烏龍磯站多年（1985～2013）平均降水量578.7mm，其中最大年份可達(dá)885.8mm（1990年），而最旱的年份僅有338.7mm（2002年），二者相差達(dá)2.6倍。降水多集中于七、八兩月，占到全年的50%以上；其次是六月份，占近18%。最大日降水量165.4mm（1994年7月12日）。最大日降水常發(fā)生于七月中、下旬，其次，發(fā)生于八月份的機(jī)會(huì)也較多。多年平均降水日數(shù)67天。

2.2 蒸發(fā)

烏龍磯站多年（1985～2013）平均蒸發(fā)量946.5mm，最大年蒸發(fā)量1219.0mm（1996年），最小年蒸發(fā)量759.3mm（2007年）。蒸發(fā)量最大的月份為四、五月份，最小的月份為十二、一月份。最大日蒸發(fā)量可達(dá)17.4mm（1996年5月15日）。結(jié)冰期，一般初冰多在十一月初，終冰多在三月底。

2.3 水位

烏龍磯站水位測(cè)驗(yàn)采用假定基面，校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程為15.00m。歷史最高洪水位10.49m（1994年7月13日），最低枯水位3.09m（1992年6月1日）。多年（1984～2013）平均水位3.76m。年最高水位多出現(xiàn)于七月下旬至八月中旬，最低水位多出現(xiàn)于五、六月份。封凍期，一般封凍在十二月中旬，解凍在二月下旬。

2.4 流量

該站在暢流期具有穩(wěn)定的水位～流量關(guān)系，其關(guān)系線呈單一曲線。冰期推流則依時(shí)序點(diǎn)繪實(shí)測(cè)流量點(diǎn)，直接連接各點(diǎn)為過(guò)程線，即采用連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法。多年（1984～2013）平均流量30.3 m3/s。歷史最大洪峰流量5720m3/s（1994年7月13日）。在基本斷面采用流速儀法測(cè)得的最大流量為1440 m3/s（1992年8月4日），相應(yīng)測(cè)次平均流速3.06 m/s，最大測(cè)點(diǎn)（水面）流速5.06 m/s。

1999～2004年連續(xù)六年的枯水年，使該站流量出現(xiàn)歷史最小值0.30m3/s（2001年6月6日）。尤其是2002年，全年最大流量?jī)H38.5m3/s，為建站以來(lái)所僅有。

2.5 徑流量

烏龍磯站多年（1984～2013）平均年徑流量9.365億m3，徑流量Cv值0.67。表1是徑流量年內(nèi)各月所占權(quán)重分布情況。由表可見(jiàn)，徑流量集中在七、八兩月，占全年徑流量的45%以上。最枯的月份為一、二、五月。其中，一、二月份適逢穩(wěn)定封凍期；五月份則為產(chǎn)、

匯流較少而沿河灌溉引水高峰期。

圖1為徑流量年際變化柱狀圖。由圖可見(jiàn)，年徑流量大致呈現(xiàn)連豐連枯的特征。1990～1998年的九年間，年徑流量均超過(guò)（或接近）10億m3；而1999～2013年的十五年間，年徑流量均不足10億m3，其中2000年僅2.96億m3，為建站以來(lái)最枯年份。

3 基本斷面演變

烏龍磯站基本斷面由主河槽和右岸灘地兩部分組成。其中，主河槽寬約120m，為卵石夾沙河床。灘地寬300余m，水流漫灘機(jī)會(huì)較少，灘地常年種植有農(nóng)作物。左岸陡壁下有當(dāng)?shù)卮迕衽d修的灌渠，自斷面所在河段上游引水入渠，渠內(nèi)流量最大時(shí)可達(dá)19.1m3/s（實(shí)測(cè)值）。

表2為該站基本斷面特征值年際變化情況統(tǒng)計(jì)。由表可知，河床年際間沖淤變化不大，河床平均高程以及河底最低點(diǎn)高程變幅均較小，未呈現(xiàn)明顯的淤高或刷深趨勢(shì)（見(jiàn)圖2），具有穩(wěn)定的河相關(guān)系。

河相系數(shù)的表達(dá)式為：

ζ=B1/2/H

式中，B為河寬（m），H為平均水深（m）。從表2中可以看出，平均河底高程以及河槽寬年際間變化不大。這就決定了斷面河相系數(shù)是一個(gè)比較穩(wěn)定的值。漫灘流量下的水位取為

7.0m，由圖2查得相應(yīng)河寬為144m，并計(jì)算得平均水深為2.37m。則該斷面河相系數(shù)為：

注：表中各年河槽寬依照當(dāng)年大斷面實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)在兩岸高程由陡變而漸變（或由漸變而陡變）的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的起點(diǎn)距之差而定。

在無(wú)實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)的低水部分，需對(duì)水位～流量關(guān)系曲線進(jìn)行延長(zhǎng)，以推求低水部分流量。這時(shí)，須先確定斷流水位【1】以用做控制點(diǎn)，然后順曲線趨勢(shì)延長(zhǎng)至該點(diǎn)。如圖3所示，實(shí)線部分是某年水位流量關(guān)系低水部分的放大曲線，在圖中選取A（Ga，Qa）、C（Gc，Qc）二點(diǎn)，其中，Ga、Gc，Qa、Qc分別代表A、C二點(diǎn)的水位和流量值，Ga=3.95m，Qa=54.0 m3/s，Gc=3.64m，Qc=20.0 m3/s。另在圖中選取B（Gb，Qb）點(diǎn)，Gb、Qb代表B點(diǎn)水位、流量值，并使Qb滿足下式：

Qb=（Qa· Qc）1/2 （1）

將Qa、Qc值代入式（1），求得Qb=32.9m3/s。從圖中查得相應(yīng)的水位值Gb=3.78m。

采用下式計(jì)算斷流水位Z值：

Z=（Ga· Gc-Gb2）/（Ga+Gc-2Gb） （2）

用式（2）求得Z=2.99m。即斷流水位為2.99m。

相應(yīng)年份大斷面最低點(diǎn)高程為2.34m，實(shí)測(cè)最低水位為3.09m，斷流水位介于二者之間，表明計(jì)算結(jié)果是合理的。以此斷流水位為終點(diǎn)，將水位～流量關(guān)系曲線延長(zhǎng)至此，見(jiàn)圖中虛線部分（曲線下部）。由此，便可編制完整的水位～流量關(guān)系表了。

圖3 低水延長(zhǎng)法推求斷流水位示意圖

5 水沙特性

表3是烏龍磯站一次洪水的水位、流量過(guò)程。由表中可見(jiàn)，流量由幾百秒立米陡增至5000m3/s，歷時(shí)僅約10h。洪峰水位10.49m，漲幅達(dá)6m，體現(xiàn)了山區(qū)河流洪水來(lái)勢(shì)猛、漲幅快的特點(diǎn)。以1994年7月中旬的一場(chǎng)洪水為例，其一日洪量達(dá)到3.612億m3，三日洪量6.018億m3，七日洪量7.398億m3?？梢?jiàn)，一場(chǎng)洪水的洪量，主要集中在最大三日內(nèi)。水面流速可達(dá)5.0m/s以上，顯現(xiàn)出峰高、量大、流急的特點(diǎn)。

另從該站歷年實(shí)測(cè)流量成果可以看出，雖然流速大小與水位高低存在一般的線性關(guān)系，即大流速對(duì)應(yīng)高水位，但就某一年而言，最大測(cè)點(diǎn)流速和最大斷面平均流速則可能發(fā)生在不同的測(cè)次。如1997年，實(shí)測(cè)最大測(cè)點(diǎn)流速4.91m/s，相應(yīng)測(cè)次的水位為7.50m；而當(dāng)年最大斷面平均流速3.20m/s，則發(fā)生在水位為6.33m的測(cè)次。

1980～1990年代，烏龍磯站曾開(kāi)展懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)，取得了若干測(cè)次的單、斷沙測(cè)驗(yàn)成果，后因?yàn)春铀颠B續(xù)發(fā)生枯水年份而停測(cè)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上點(diǎn)繪該站單、斷沙關(guān)系曲線，大致呈一45°斜線。按規(guī)范要求，一類站單斷沙關(guān)系線的比例系數(shù)在0.95～1.05之間【2】。當(dāng)單沙能夠代表斷面平均含沙量時(shí)，則輸沙率測(cè)驗(yàn)即可簡(jiǎn)化為單沙測(cè)驗(yàn)與流量測(cè)驗(yàn)。烏龍磯站單、斷沙關(guān)系滿足這一要求，因此，在進(jìn)行洪水輸沙率測(cè)驗(yàn)時(shí)，可將單沙測(cè)驗(yàn)結(jié)果作為斷面平均含沙量參與計(jì)算，以縮短測(cè)驗(yàn)歷時(shí)。

6 結(jié)語(yǔ)

烏龍磯站做為首批國(guó)家重點(diǎn)水文站，建站30年來(lái)，為工程管理運(yùn)用積累了大量翔實(shí)的第一手資料。同時(shí)，做為干流控制站和基本水文站，具備實(shí)施《測(cè)站任務(wù)書(shū)》中規(guī)定的全部測(cè)驗(yàn)任務(wù)的能力。因此，烏龍磯站應(yīng)加強(qiáng)全斷面流量控制測(cè)驗(yàn)，并在做好日常水文測(cè)驗(yàn)的同時(shí)，繼續(xù)開(kāi)展懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)，為水庫(kù)沙量平衡計(jì)算提供重要依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

【1】湖北省水利學(xué)校，《水文資料整編》，水利電力出版社，北京，1979.11；

【2】中華人民共和國(guó)水利部，《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》，中國(guó)計(jì)劃出版社，北京，2007.5；

【3】【4】水利電力部水利司，《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》，水利電力出版社，北京，1983.8；

【5】劉光文，《水文分析與計(jì)算》，水利電力出版社，北京，1989.11。

作者簡(jiǎn)介：

柳鐵忠（1963-），男，河北衡水人，在職陸地水文專業(yè)中專學(xué)歷，技師，長(zhǎng)期從事河道水文測(cè)驗(yàn)工作。