三道營水文站冰情對水位流量的影響

宋 飛

(河北省張家口水文水資源勘測局，河北 張家口 075000)

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三道營水文站冰情對水位流量的影響

宋 飛

(河北省張家口水文水資源勘測局，河北 張家口 075000)

三道營水文站地處密云水庫上游，為海河流域潮白沙水系黑河控制站，集水面積1600km2，結(jié)冰期從當(dāng)年11月至次年3月，約占全年時(shí)間2/5，冰期徑流量占多年平均徑流量的1/4。文章通過對多年實(shí)測資料的分析，掌握黑河三道營水文站河道冬季的結(jié)冰過程和次年春天消冰開河過程，并就河道結(jié)冰的變化過程對于水位流量的變化規(guī)律進(jìn)行了初探。

三道營水文站；冰情；水位流量；影響；建設(shè)

三道營水文站位于河北省赤城縣與北京市延慶區(qū)的交界處，地處密云水庫上游，設(shè)立于1959年，為海河流域潮白河水系黑河控制站，集水面積1600km2。黑河流域基本呈長條形，西北高，東南低，屬深山區(qū)，高山聳立，山勢陡峻，溝壑狹窄，相對高差大。三道營水文站測驗(yàn)斷面河床由砂卵石組成，斷面控制性良好。結(jié)冰期從當(dāng)年的11月份開始至次年的3月份結(jié)束，約占全年的2/5時(shí)間。冰期徑流量占多年平均徑流量的1/4。黑河由西北向東南在北京延慶區(qū)匯入白河后注入密云水庫，從黑河源頭老掌溝到中游喜峰砦段為季節(jié)性河流，只有在汛期有山洪匯入，枯季基本河干?？菁舅康闹饕獊碓词呛颖笔〕喑强h東萬口鄉(xiāng)的暖水泉，約占枯季總水量的70%，其次是該泉眼下游山澗的小股泉水。

經(jīng)分析1991—2015年的流量資料，分別選取了有代表性的50組冰期流量資料和暢流期流量資料進(jìn)行分析，對黑河結(jié)冰對水位流量變化規(guī)律有了粗淺的認(rèn)識(shí)。

1 結(jié) 冰

當(dāng)氣溫降低到0℃以下時(shí) ，由于河中水流的紊動(dòng)，不僅使河水表面一層變冷，而且讓全部水流變冷。河水是黏性液體的紊動(dòng)流，其內(nèi)外阻力的做功消耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?dāng)水流的摩擦阻力轉(zhuǎn)變的熱量正好抵消熱量損失時(shí)，即便氣溫降至0℃河水也不會(huì)結(jié)冰。以三道營站為例：當(dāng)河道流量<2.00m3/s時(shí)，氣溫降至-5℃時(shí)河水有可能結(jié)冰，但河道流量>4.00 m3/s時(shí)，有時(shí)氣溫降至-10℃河水也不會(huì)結(jié)冰。即當(dāng)水流的摩擦阻力轉(zhuǎn)變成的熱量已不足補(bǔ)償熱量的損失時(shí)，就會(huì)由結(jié)冰釋放出的熱量來補(bǔ)償，這樣河水就會(huì)結(jié)冰。三道營結(jié)冰主要有岸冰、水內(nèi)冰和冰蓋3種形式。

1.1 岸冰

由于岸邊的水流速度小，水流摩擦阻力轉(zhuǎn)變成的熱量小于河心中泓，加之岸邊沙石的比熱小于水，吸熱放熱快，當(dāng)氣溫降至0℃以下時(shí)河道最先在兩岸出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，即岸冰。

1.2 水內(nèi)冰

當(dāng)氣溫降至0℃以下時(shí)，由于河水的紊動(dòng)流和摩擦阻力熱量損失，使水流形成過分冷卻，加之河底沙石的比熱是水的1/415倍，故而放熱快，使河底水溫比過分冷卻的水溫還低，而河底因沙石的阻力使得河水的流速減小，水在河底的沙石上形成結(jié)晶，結(jié)晶所釋放的熱量被水流帶走，河底結(jié)晶增多，底流速減小，這樣就在河底形成了一層海綿狀冰團(tuán)，即水內(nèi)冰。

1.3 冰蓋

在河道出現(xiàn)岸冰和水內(nèi)冰的同時(shí)，河水的表面由于水的過分冷卻也形成結(jié)晶，漂浮在表面即為流冰花，氣溫很低時(shí)流冰花增多，使得河水表面流速減小，冰花凍結(jié)在岸冰上，使岸冰逐漸加寬形成固定的冰蓋，最終使得河面封凍。封凍以后由于冰的覆蓋，水流不直接受氣溫的影響。但冰蓋隨著氣溫的降低而逐漸增厚。河道封凍后，由于下游冰下堵塞導(dǎo)致水位抬高，水從冰裂的縫隙冒出，形成冰上水，冰上水遇冷結(jié)冰，使冰層厚度增加。

2 冰對水位流量的影響

2.1 初冬到封凍期前

每年11月，當(dāng)氣溫降至0℃下，河道產(chǎn)生岸冰，三道營河道在枯季主要補(bǔ)給是水量較穩(wěn)定的地下水，由于結(jié)冰造成損失，所以初冬時(shí)水量減小。這個(gè)時(shí)段河水受氣溫日變化的影響較大，一般在上午8時(shí)水位低流量小，日最高水位和流量出現(xiàn)在14時(shí)或20時(shí)。當(dāng)形成固定岸冰后，隨著氣溫的下降，每日8時(shí)前河水過分冷卻而產(chǎn)生水內(nèi)冰，這個(gè)時(shí)期的8時(shí)水位高流量小，而14時(shí)或20時(shí)的水位低流量大。當(dāng)陰天時(shí)由于空氣濕度增大氣溫的日變幅減小，河水失去過分冷卻的條件，而不產(chǎn)生水內(nèi)冰，所以水位不隨氣溫的日變化而劇烈變化，水位流量的日變化較平緩。當(dāng)寒流侵襲時(shí)，氣溫連續(xù)下降，岸冰增厚加寬，過水?dāng)嗝鏈p小，水位逐漸升高，流量則逐漸減小。

2.2 封凍期

氣溫連續(xù)下降岸冰增厚加寬，斷面流量減小，水位逐漸抬高。由于氣溫下降，泉水從地下涌出后，流經(jīng)一段距離后會(huì)結(jié)冰，這樣就造成了流量減小水位下降，當(dāng)水位下降到離開冰底后，冰在自身重力作用下下沉，過水?dāng)嗝嫱蝗粶p小，待到氣溫回升后水量增加水位急劇上漲。當(dāng)氣溫恢復(fù)到降溫前的溫度時(shí)，流量也基本恢復(fù)到原來的水量。形成固定冰蓋后，當(dāng)沒有寒流侵襲時(shí)，流量則不依水位的升降而增減，趨于基本穩(wěn)定。當(dāng)寒流侵襲時(shí)，氣溫降至-15℃以下，使得水源處的泉水涌出后立即結(jié)冰，會(huì)造成水位流量的連續(xù)下降。當(dāng)大風(fēng)天時(shí)，雖然氣溫高于-15℃，由于泉水散熱快也會(huì)使泉水涌出后很快結(jié)冰，不能及時(shí)匯入河道，造成流量暫時(shí)減小，當(dāng)風(fēng)進(jìn)入冰蓋下，水的壓力增大，流速加快而導(dǎo)致水位下降。當(dāng)氣溫回升或大風(fēng)停止后流量又恢復(fù)正常。冰蓋在開河前，由于氣溫上升至0℃以上，流出的泉水受太陽輻射溫度增高，冰蓋受到高于0℃的河水沖刷而厚度減小，過水面積增大水流順暢，水位則不斷降低。

黑河流域大致是西北東南流向，下游氣溫高于上游氣溫，下游冰蓋底受到高于0℃的河水的影響會(huì)比上游先開河，下游冰薄斷面通暢，從斷面流走的水量大于基流與融冰水量之和，造成水位連續(xù)下降，流量逐漸減小。氣溫繼續(xù)升高，融冰水量增加，當(dāng)基流與融冰水量之和等于流走的水量時(shí)則流量趨于穩(wěn)定。

2.3 開河的岸冰期

初開河時(shí)，每天8時(shí)的氣溫低于0℃，也會(huì)出現(xiàn)水內(nèi)冰，造成每日8時(shí)水位低流量小，日最高水位和流量出現(xiàn)在14時(shí)或20時(shí)。當(dāng)氣溫上升后，每日的氣溫不能使河水過分冷卻時(shí)，沒有水內(nèi)冰產(chǎn)生。這個(gè)時(shí)期水位流量的變化基本與封凍前的岸冰期相同。

3 結(jié)冰水位流量關(guān)系的影響

結(jié)冰對于水位流量關(guān)系很復(fù)雜，主要是對過水?dāng)嗝?、比降、糙率、K值、水位改正數(shù)的影響。

3.1 結(jié)冰對過水?dāng)嗝娴挠绊?/p>

冰期與暢流期水位相同時(shí)，因水浸冰占了一部分面積，所以冰期過水?dāng)嗝婷娣e比同水位暢流期小。即：冰期過水?dāng)嗝婷娣e+水浸冰面積=同水位暢流期過水?dāng)嗝婷娣e。

由于冰期河道流量減小，冰固結(jié)在兩岸上，雖然冰的密度小于水的密度，但是水位升高時(shí)，水的浮力不足以使冰蓋上升；水位下降時(shí)，冰在重力作用下也不會(huì)使整個(gè)冰蓋統(tǒng)一下降，故而水浸冰的面積隨水位的升降而增減。當(dāng)水位明顯下降(水面完全離開冰底)時(shí)，冰蓋的重力大于(失去)河水的浮力，冰蓋會(huì)局部下沉，這樣又使得有效過水?dāng)嗝婷娣e隨水位的下降而減小。綜上所述，冰期過水?dāng)嗝婷娣e總是比同水位暢流期的斷面面積小。

3.2 并對糙率的影響

結(jié)冰后河道出現(xiàn)岸冰和水內(nèi)冰，增大了水流的阻力，封凍后水流形如管流，濕周增加近乎一倍，也增加了水流的阻力，所以同樣過水?dāng)嗝婷娣e的河道冰期與暢流期相比，糙率增大很多。

3.3 結(jié)冰對于水面比降的影響

當(dāng)河道上下游結(jié)冰情況一致的情況下，結(jié)冰對于水面比降的影響不大，但一般小于同水位的暢流期比降。當(dāng)下游斷面發(fā)生冰壩或冰塞時(shí)，下游的水位升高造成水面比降減小，如果上游發(fā)生冰壩或冰塞時(shí)，水面比降情況則相反。這樣便增加了冰期水位流量關(guān)系的復(fù)雜性。

3.4 對于結(jié)冰期與同水位暢流期K(K=S0.5/n)值的分析

本次分析中選取了有代表性的50組冰期施測數(shù)據(jù)和50組暢流期實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。用曼寧公式:

(1)

式中：S為水面比降；n為糙率；R為水力半徑；h為平均水深；V為平均流速。

分別計(jì)算出冰期值K冰和暢流期值K暢值。

(2)

冰期平均水深與暢流期平均水深相比，均隨著水位的升高而增大。冰期因受冰層覆蓋，水浸冰的面積隨水位升降而增減，故而水道斷面面積變化緩慢，但當(dāng)水位很低時(shí)，冰期的斷面面積近似等于暢流期的斷面面積。

由于冰期的水道斷面面積隨水位的變化不大，水面比降、糙率的變化也不大，流量也比同水位的暢流期變化幅度小，所以K冰與K暢相比，隨水位的升高，K暢值的增大速度快。

K冰、K暢、h冰、h暢之間的關(guān)系

(3)

經(jīng)分析計(jì)算：K冰=0.63aK暢(a=h暢/h冰)

當(dāng)水位很低a=1時(shí)，K冰=0.63K暢。即水位很低時(shí)，冰期與暢流期的水道斷面面積相近，但冰期形如管流，濕周增加一倍，則h冰2/3≈(h暢/2)2/3。所以當(dāng)h冰=h暢時(shí)，K冰=0.63aK暢在理論上是符合水利學(xué)公式的。

3.5 冰期水位Z和水位改正數(shù)Δh的關(guān)系

穩(wěn)定封凍期的Z-Δh關(guān)系線的斜率，變化幅度不大，而且歷年的關(guān)系線大致是平行移動(dòng)的。這是因?yàn)榭菁疽缘叵滤疄橹饕a(bǔ)給源，流量穩(wěn)定，水位的變化主要是因?yàn)樯舷掠魏佣伪斐伤鞑粫常植亢哟矔簳r(shí)儲(chǔ)蓄水量而引起的流量變化所致。Z-Δh關(guān)系線右移是因?yàn)樗幌陆狄鸨w局部下沉，有效過水面積減小，Z-Δh關(guān)系線就向右平移，如遇氣溫回升，冰蓋受到高于零度的河水沖刷變薄，有效過水面積增大則Z-Δh關(guān)系線就向左移動(dòng)。

岸冰期間的水位Z和水位改正數(shù)Δh關(guān)系。初冰期，岸冰占水面寬的比重很小時(shí)，岸冰的寬度和厚度增加緩慢，水位改正數(shù)不隨水位的變化而變化，但隨岸冰的厚度增加而逐漸增加。隨著氣溫下降，每日8時(shí)前出現(xiàn)水內(nèi)冰時(shí)，水位改正數(shù)為負(fù)值且逐漸減小(開河后岸冰期遞增)。岸冰期遇寒流侵襲時(shí)，岸冰的寬度和厚度增加較快，水位逐漸增高，其流量隨水位升高而減小，改正數(shù)為負(fù)值且急劇減小。

4 結(jié)論與建議

以通過分析三道營站的資料，黑河在沒有人工控制的情況下，補(bǔ)給源主要靠地下水補(bǔ)給，冰期的流量變化是比較穩(wěn)定的。能引起流量變化的主要原因是：結(jié)冰損失(使水流變成固態(tài)而暫時(shí)儲(chǔ)存)；測驗(yàn)河段上下游因生成冰塞、冰壩而造成的局部河槽流量的暫時(shí)儲(chǔ)蓄；因下游先開河，下游河道暢通，從斷面流走的流量大于水源和沿途融冰水的補(bǔ)給量。

由于結(jié)冰將河道水流固定在斷面的一定起點(diǎn)距上，即使是洪水期水流經(jīng)常擺動(dòng)的河道冰期也不擺動(dòng)了。所以一般河道冰期的水位流量變化是有一定規(guī)律可循的。掌握了冰期流量的變化規(guī)律，視氣溫的高低，岸冰的突變、水內(nèi)冰的有無、寒流的侵襲、冰蓋的下沉來施測流量，就能控制好流量的變化和水位-水位改正數(shù)的變化轉(zhuǎn)折。

由于冰期氣溫很低，有時(shí)因?qū)嶋H測速時(shí)動(dòng)作緩慢，流速儀出水便結(jié)上冰晶，使測得的流量不準(zhǔn)且不易發(fā)現(xiàn)。這樣因冰期測流困難而造成的人為誤差往往超過流量的實(shí)際變差，就很難求出冰期水位流量的變化規(guī)律。只要加強(qiáng)冰期測驗(yàn)，堅(jiān)持好四隨，冰期的水位流量的變化規(guī)律還是能夠求得的。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局、中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50179—2015河流流量測驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2016.

[2]中華人民共和國水利部.SL247—2012水文資料整編規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

Impact of Sandaoying Hydrological Station Ice Regime on Stage-discharge

Song Fei

(Zhangjiakou Hydrological and Water Resources Investigation Bureau Hebei Province, Zhangjiakou 075000, China)

The Sandaoying hydrological station is located on the upstream of the Miyun reservoir, being the control station of Heihe river belonging to Chaobai river water system in the Haihe river basin with the water-collection area of 1600km2, the ice period is from November to March next year, accounting for 2/5 of the year and 1/4 of the mean annual runoff. By analyzing the over-year data observed, the paper grasped ice freezing process in the river course of Saodaoying hydrological station in winter and the ice break-up process, and explored primarily the stage-discharge changing law due to the changing process of ice-freezing in river course.

Saodaoying hydrological station; ice regime; stage discharge; effect; suggestion

1007-7596(2016)10-0043-03

2016-09-19

宋飛(1983-)，男，河北安國人，工程師，研究方向?yàn)樗呐c水資源。

P332.4

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