特克斯河中游河段冰流量測(cè)驗(yàn)與分析

趙宏濤

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

特克斯河中游河段冰流量測(cè)驗(yàn)與分析

趙宏濤

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

為填補(bǔ)特克斯河中游河段冰流量分析的空白，通過整編冰情專用站實(shí)測(cè)資料，建立累積流冰量與累積負(fù)氣溫的相關(guān)關(guān)系，依據(jù)參證氣溫系列計(jì)算得到多年平均流冰量及年內(nèi)分配過程。經(jīng)分析，初步認(rèn)為特克斯河中游河段多年平均總流冰量為35.15 m3×106m3，其中約48%來自上游河段，其余52%由中游河段自身產(chǎn)生。分析結(jié)果對(duì)河段內(nèi)冬季運(yùn)行的各涉河項(xiàng)目均有一定的指導(dǎo)意義。

水文學(xué)；冰流量；測(cè)驗(yàn)；特克斯河；中游河段

特克斯河位于中高緯度地區(qū)，其冰流量的測(cè)驗(yàn)與分析長期處于空白狀態(tài)，已成為制約河段開發(fā)利用的主要因素之一。筆者通過整編冰情專用站觀測(cè)資料，并結(jié)合主要成冰因素，對(duì)特克斯河中游河段流冰量進(jìn)行分析與估算。

1 流域概況

特克斯河主要位于新疆伊犁哈薩克自治州，總體流向?yàn)橛晌髂舷驏|北，從阿合牙孜河匯合口至庫克蘇河匯合口為本文分析的中游河段。

特克斯河是典型的冰雪融水補(bǔ)給型河流，徑流年際變化穩(wěn)定，但年內(nèi)分配不均，每年6月～8月為主汛期，枯水期11月～2月為穩(wěn)定退水期。

特克斯河中游河段屬大陸性溫帶氣候，一般11月下旬日平均氣溫逐漸減低至0℃，1月為最冷；一般3月下旬日平均氣溫逐漸升高至0℃，7月為最熱。

2 冰情特征簡(jiǎn)述

特克斯河中游一般在11月下旬產(chǎn)生初冰，在12月下旬開始流冰，在3月下旬終止流冰，流冰期一般在90天左右,未發(fā)生過河面封凍現(xiàn)象。實(shí)測(cè)資料反映，特克斯河中游流冰以稀疏流冰花為主。

3 冰流量測(cè)驗(yàn)

特克斯河流域內(nèi)的國家基本水文站，均未對(duì)冰流量進(jìn)行觀測(cè),但當(dāng)?shù)厮木衷?011年11月26日至2012年3月31日，在阿克達(dá)拉大橋、瑪熱塔斯渡口設(shè)立冰情專用站，進(jìn)行了1個(gè)完整水文年的冰流量測(cè)驗(yàn)。其中阿克達(dá)拉大橋?qū)Ｓ谜疚挥谔乜怂购又杏紊隙危敓崴苟煽趯Ｓ谜疚挥谔乜怂购又杏蜗露?，專用站位置示意參見圖1。

兩專用站冰流量觀測(cè)均采用簡(jiǎn)測(cè)法，以疏密度為常測(cè)項(xiàng)，同時(shí)進(jìn)行水位、流量、氣溫的觀測(cè)。冰情觀測(cè)方法與過程簡(jiǎn)述如下。

3.1 敞露水面寬（B）、疏密度（η）測(cè)驗(yàn)

兩專用站均采用全站儀測(cè)量敞露水面寬；采用人工目估法觀測(cè)疏密度，在人工目估較為困難時(shí)采用攝影法進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。其中疏密度為常測(cè)項(xiàng)，每日觀測(cè)時(shí)間為10時(shí)、18時(shí)。

3.2 冰花、冰塊流速（vg）測(cè)驗(yàn)

冰流速測(cè)驗(yàn)以冰花、冰塊為浮標(biāo)，測(cè)定由上游水尺斷面流至下游水尺斷面的歷時(shí)，據(jù)此推求測(cè)點(diǎn)的平均流速。一般在橫斷面不同位置布設(shè)5～8個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)冰流速算術(shù)平均值即為斷面平均冰花、冰塊流速。

3.3 冰塊厚度（dg）、冰花厚度（dsg）與冰花團(tuán)密度（ρsg）

特克斯河流冰形式主要以冰花團(tuán)為主，流冰塊主要發(fā)生在解凍期。

冰塊厚度采用量冰尺取流經(jīng)岸邊冰塊量取，一般每次測(cè)量5～10冰塊，且大小兼有，取其加權(quán)平均值為平均冰塊厚度[1]。

冰花厚度測(cè)量時(shí)，利用渡船在測(cè)流斷面上選取冰花較為集中且具有代表性的位置進(jìn)行取樣。冰花采樣器形式為橫截面25 cm×25 cm的正方體，重量為5.4 kg。

冰花取樣時(shí)，在測(cè)點(diǎn)由流動(dòng)的冰花表面垂直向下至冰花底部截取冰花樣體，然后在采樣器內(nèi)量取冰花厚度、秤取冰花樣重量，并采用式1推求出測(cè)點(diǎn)冰花密度。斷面平均冰花密度為各測(cè)點(diǎn)冰花密度的算術(shù)平均值。

式中：ρsg為冰花密度，kg/m3；Wsg為冰花重量，kg；A為采樣器截面積，m2；dsg為冰花厚，mm。

4 冰流量資料整編

當(dāng)河內(nèi)流冰全部為流冰塊時(shí)，采用式2計(jì)算冰流量；當(dāng)河內(nèi)流冰全部為流冰花時(shí)，采用式3計(jì)算冰流量，式中冰花折算系數(shù)采用式4計(jì)算；若既有流冰花，又有流冰塊，則分別計(jì)算。

式中：Qg為冰流量，m3/s；B為敞露河面寬，m；Vg為平均冰速，m/s；dgdsg為平均冰塊厚，mm；η為平均冰花團(tuán)厚度，mm；β為平均流冰疏密度；為冰花折算系數(shù)。

式中：ρsg為冰花密度，kg/m3；ρg為冰密度，kg/m3。

由于疏密度觀測(cè)連續(xù)，而冰流量測(cè)驗(yàn)每月僅2～3次，因此需先建立疏密度與冰流量的關(guān)系曲線，再依據(jù)逐日疏密度資料，整編出逐日冰流量。

4.1 疏密度與冰流量關(guān)系

兩專用站在實(shí)測(cè)期內(nèi)，按巡測(cè)的方式每10日進(jìn)行一次冰流量測(cè)驗(yàn)，平均每月施測(cè)3份，個(gè)別月份因巡測(cè)時(shí)未出現(xiàn)冰花，只施測(cè)到2份冰流量，從2011年11月至2012年3月，兩專用站分別實(shí)測(cè)了8份冬季冰流量資料，如表1、表2所示。

表1 阿克達(dá)拉大橋站2011～2012年實(shí)測(cè)冰流量表

表2 瑪熱塔斯渡口站2011～2012年實(shí)測(cè)冰流量表

2012年3月14日以后，由于氣溫升高，河流冰花斷續(xù)出現(xiàn)，至27日完全停止流冰花。

依據(jù)表1、表2中成果，點(diǎn)繪疏密度與冰流量關(guān)系圖，并通過點(diǎn)群中心繪制相關(guān)線，繪制時(shí)控制實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)與曲線誤差不超過±20%[2]，并順趨勢(shì)將曲線下限延長至零，上限延長至實(shí)測(cè)疏密度最大值，如圖2所示。

圖2 冰情專用站疏密度與冰流量關(guān)系曲線

4.2 逐日冰流量成果整編

按照水文資料整編規(guī)范要求，逐日平均疏密度采用加權(quán)平均法計(jì)算，在此基礎(chǔ)上依據(jù)前述得到的疏密度與冰流量關(guān)系曲線，整編得逐日平均冰流量，統(tǒng)計(jì)得逐月成果，見表3、表4。

據(jù)表3統(tǒng)計(jì)，實(shí)測(cè)期內(nèi)阿克達(dá)拉大橋站最大疏密度為0.860；最大冰流量為4.23 m3/s，1月11日；總流冰量為17.10×106m3。

據(jù)表4統(tǒng)計(jì)，實(shí)測(cè)期內(nèi)瑪熱塔斯渡口站最大疏密度為0.650；最大冰流量為11.7m3/s，12月20日；總流冰量為38.91m3×106m3。

4.3 冰情專用站冰流量成果合理性分析

4.3.1 專用站冰流量過程對(duì)比分析

對(duì)比兩專用站整編后的冰流量過程，如圖3所示，可知兩專用站冰情過程總體一致，且下游瑪熱塔斯渡口站冰流量明顯大于上游阿克達(dá)拉大橋站冰流量。

一般而言，河流進(jìn)入中游河段后，河道比降變緩、流速變慢，有利于形成流冰，同時(shí)中游河段汊流發(fā)育，增加了水流與大氣的熱交換速度，近而增加冰流量，圖3反映的兩專用站冰流量正符合以上規(guī)律。因此從上下游規(guī)律而言，兩站冰流量成果合理。

表3 阿克達(dá)拉大橋冰情專用站逐月平均冰流量表

表4 瑪熱塔斯渡口冰情專用站逐月平均冰流量表

4.3.2 冰流量與氣溫過程對(duì)比分析

氣溫是影響冰流量的主要因素，對(duì)比兩專用站冰流量過程與氣溫過程，如圖3所示，可知兩專用站冰流量過程與氣溫過程基本一致，總體隨氣溫波動(dòng)。因此從主要成因角度分析，兩站冰流量成果也是合理的。

圖3 冰情專用站冰流量過程、氣溫過程對(duì)比圖

5 多年平均總流冰量初步分析

氣溫是影響冰情變化的熱力因素，它決定著冰量和冰質(zhì)的變化[3]，因此可采用實(shí)測(cè)累積流冰量與累積負(fù)氣溫建立關(guān)系，依據(jù)周邊氣溫參證系列推求特克斯河中游多年平均總流冰量。

5.1 累積負(fù)氣溫與累積流冰量相關(guān)關(guān)系分析

依據(jù)兩專用站2011～2012年逐日平均冰流量資料及同期氣溫觀測(cè)資料，建立累積負(fù)氣溫與累積流冰量關(guān)系，并通過點(diǎn)群中心繪制相關(guān)線，繪制時(shí)控制實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)與曲線誤差不超過± 3%，如圖4所示。

5.2 總流冰量及年內(nèi)分配估算

以距離相近、高程相似為原則，分別以阿合牙孜水文站1980～2011年氣溫系列作為特克斯河中游上段的參證系列；以特克斯氣象站1980～2011年氣溫系列作為特克斯河中游下段的參證系列。從日平均氣溫穩(wěn)定于0℃的日期開始，統(tǒng)計(jì)參證系列多年平均冬季累積負(fù)氣溫，得阿合牙孜水文站多年平均冬季累積負(fù)溫為-1452.5℃，特克斯氣象站多年平均冬季累積負(fù)溫為-807.4℃。

按圖4中整理的累積負(fù)氣溫與累積流冰量相關(guān)關(guān)系，可計(jì)算得阿克達(dá)拉大橋站多年平均累積流冰量為16.83×106m3，瑪熱塔斯渡口站多年平均累積流冰量為35.15×106m3。

以2011～2012年實(shí)測(cè)的流冰量年內(nèi)分配過程為典型，按總流冰量為控制進(jìn)行同倍比縮放，可得兩專用站多年平均流冰量年內(nèi)分配，成果如表5所示。

圖4 專用站累積氣溫與累積冰流量關(guān)系曲線

表5 冰情專用站多年平均流冰量及年內(nèi)分配表

6 結(jié)論

筆者在冰情專用站實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，通過整編、分析，初步認(rèn)為特克斯河中游段多年平均總冰流量為35.15×106m3，且80%的流冰量發(fā)生在12月和1月份；初步查明特克斯河中游流冰量約48%來自上游，其余的52%由中游河段自身產(chǎn)生。

筆者的分析填補(bǔ)了特克斯河中游河段冰流量分析研究的空白，其成果對(duì)特克斯河中游河段規(guī)劃的水利水電項(xiàng)目，以及冬季運(yùn)行的各涉河項(xiàng)目均有一定的指導(dǎo)或參考意義。

[1]錢學(xué)偉，董治理，張立錦，等.河流冰情觀測(cè)規(guī)范：SL59-1993[S]北京：中國水利水電出版社，1993：9-10

[2]朱曉原，張留柱，姚永熙.水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國水利水電出版社，2013：498-503

[3]郭立新，曹燁，王明虎，等.黃河山東段冰情影響因素、機(jī)制及觀測(cè)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2010（2）：19-22

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1673-9000（2017）04-0142-03

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趙宏濤（1985-），男，新疆烏魯木齊市人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。