湖南南咀水文站懸移質(zhì)含沙量測驗探討

曾渝 周曉 黎炎慶 涂盟 唐聰

摘要：懸移質(zhì)含沙量大小受泥沙來源、暴雨強度、河床沖刷及不同水系河流來水相互滲透等多種因素的影響，其測驗一直是水文巡測的難點。懸移質(zhì)含沙量分布測驗結(jié)果應(yīng)能反映含沙量的變化過程，有利于掌握其輸移量、各種特征值及在時間上的變化規(guī)律。分析了2004～2018年南咀水文站懸移質(zhì)含沙量測驗結(jié)果及肖家灣（二）站與南咀站水位落差變化過程的相應(yīng)關(guān)系，根據(jù)水位落差過程線中的轉(zhuǎn)折點，提取對應(yīng)懸移質(zhì)含沙量。分析結(jié)果滿足水文資料整編成果精度要求。通過水位落差與懸移質(zhì)含沙量的關(guān)系合理調(diào)整測驗測次分布，既能及時掌握懸移質(zhì)含沙量在天然河流中的變化過程，又能突破傳統(tǒng)按期取樣采集方法的限制，顯著減少沙峰過程中的測驗次數(shù)，可降低勞動強度。

關(guān)鍵詞： 懸移質(zhì)含沙量;含沙量測驗;含沙量分布;水位落差;南咀水文站

中圖法分類號：P333.4文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.003

1 研究背景

南咀水文站位于湖南省沅江市南咀鎮(zhèn)南咀村，是控制松滋河、虎渡河、澧水、沅水經(jīng)西洞庭湖湖口（北端）流入南洞庭湖水情的國家一類精度水文站，其地理位置見圖1。該站上游約19 km處設(shè)有肖家灣（二）站，是監(jiān)測松虎合流入湖前水位變化情況的基本水位站;松滋河與虎渡河匯合在該站的基本水尺斷面上游約17.5 km，下游約1 km處松虎合流與澧水匯合成松澧洪道。

南咀水文站的水位流量、含沙量關(guān)系受多種因素綜合影響，其中澧水、長江來水的影響以洪水漲落為主，湘、資水則受變動回水及頂托影響，沅水部分水量經(jīng)目平湖由該斷面流出，具有明顯的湖泊調(diào)節(jié)特性。

2003年后，因河道治理和水庫工程建設(shè)，改變了河段及洞庭湖區(qū)河流的水沙特性，懸移質(zhì)含沙量明顯減小，經(jīng)歷史資料分析確定南咀站枯季（1～3月、12月）懸移質(zhì)輸沙量停測，每逢年份尾數(shù)為0和5時進行實測。采用肖家灣（二）站的水位減南咀站水位得出的水位落差與歷年實測懸移質(zhì)含沙量繪制相應(yīng)關(guān)系圖，比對分析相應(yīng)變化過程，掌控天然河流中懸移質(zhì)含沙量運動特性及規(guī)律變化過程。

2 懸移質(zhì)含沙量測驗分析

2.1 測次確定原則

根據(jù)GBT 50159-2015《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》第4.2.1條規(guī)定[1]，開展懸移質(zhì)含沙量測驗。1a內(nèi)單樣含沙量的測次分布以“能控制含沙量的變化過程，滿足推算逐日平均含沙量、輸沙率的特征值的需要”為原則。非汛期含沙量相對較小，測次可適當(dāng)減少;在水情變化的峰頂、峰谷附近適當(dāng)增加測次。

2.2 含沙量與水位落差分析

根據(jù)2004～2018年南咀水文站水位月報與肖家灣（二）站水位自記資料計算水位落差，制作以時間為橫軸，水位落差與實測懸移質(zhì)含沙量為縱坐標(biāo)的關(guān)系過程線圖。南咀水文站上游懸移質(zhì)含沙量主要來源于澧水和長江流域，沅水流域河流中的懸移質(zhì)含沙量對南咀斷面影響較小。澧水流域4～8月水位暴漲暴落，水位落差與懸移質(zhì)含沙量無穩(wěn)定的固定關(guān)系，但每次洪水的水位落差增大時懸移質(zhì)含沙量逐漸呈現(xiàn)相對增大趨勢。長江流域受三峽水庫泄洪沖沙調(diào)蓄作用，懸移質(zhì)含沙量與水位落差呈反?，F(xiàn)象，主要集中在7，8月之間，具體年份有2004，2007，2009，2010，2012，2013年和2018年。除2018年長江上游50 a一遇的特大洪水之外，大部分泄洪沖沙調(diào)蓄過程中略有水位落差變動。本文以2018年為例，分析南咀站水位落差與實測懸移質(zhì)含沙量變化過程關(guān)系（見圖2）。

2018年4月1日至7月7日，澧水、沅水河流相接二次大的洪峰過程，水位落差變幅為0.08～0.89 m，懸移質(zhì)含沙量在0.030～0.316 kg/m3之間，懸移質(zhì)含沙量隨水位落差的變化同步相對穩(wěn)定。同年7月8～19日，三峽水庫遇長江第1號洪水洪峰，首次開閘泄洪，水位落差在0.86～0.73 m之間迂回，澧水與長江來水匯合后相互滲透，懸移質(zhì)含沙量上下波動，變幅為0.204～0.331 kg/m3。7月20～29日，受長江第2號洪水特大洪峰影響，三峽水庫進行泄洪，同時實施沙峰排沙調(diào)度，此次沙峰過程懸移質(zhì)含沙量與落差變動異常，2018年南咀水文站水位落差與懸移質(zhì)含沙量測點關(guān)系如圖3所示。

水位落差從0.70 m波動降至0.56 m， 最大懸移質(zhì)含沙量出現(xiàn)在7月22日（0.622 kg/m3），最小懸移質(zhì)含沙量在7月29日（0.199 kg/m3），水位落差較小，分別為0.60 m和0.59 m，而懸移質(zhì)含沙量變化較大，水位落差與懸移質(zhì)含沙量在三峽水庫人工調(diào)節(jié)后出現(xiàn)異常。7月30日至11月30日綜合來水中懸移質(zhì)含沙量隨水位落差同時發(fā)生相應(yīng)變化，最大水位落差0.71 m，最大懸移質(zhì)含沙量0.157 kg/m3，懸移質(zhì)含沙量基本隨水位落差漲落變化。?

從圖3可以看出，全年測點含沙量按時間分布大致分為3個部分。

（1）4月1日～7月19日。測點泥沙主要來自澧水流域，7月8日后一部分來自于長江。根據(jù)水位落差與懸移質(zhì)含沙量作趨勢線，水位落差小于0.70 m時，懸移質(zhì)含沙量在趨勢線附近，懸移質(zhì)含沙量在0.15 kg/m3以下。水位落差與懸移質(zhì)含沙量關(guān)系較穩(wěn)定，趨勢線呈平直狀態(tài)，水位落差大于0.70 m時，懸移質(zhì)含沙量變幅大，趨勢線呈指數(shù)上升。

（2）7月20日～7月29日。在三峽水庫泄洪排沙調(diào)度過程中，水位落差從0.71 m減小到0.59 m。20～22日，懸移質(zhì)含沙量變幅從0.265 kg/m3增至0.622 kg/m3。22日以后，水位落差在0.56～0.61 m之間波動，懸移質(zhì)含沙量再逐漸減小到0.199 kg/m3，形成一個較大的沙峰過程，測點懸移質(zhì)含沙量位于趨勢線上方，改變了水位落差與懸移質(zhì)含沙量變化趨勢的規(guī)律。

（3）7月30日～11月30日。測點懸移質(zhì)含沙量相對上半年偏小，泥沙來源于澧水和長江，測點懸移質(zhì)含沙量均低于趨勢線以下，但水位落差與懸移質(zhì)含沙量保持相應(yīng)變化關(guān)系。

2004～2018年，懸移質(zhì)含沙量與水位落差變化基本同步。當(dāng)水位落差遞增時，懸移質(zhì)含沙量相應(yīng)增大;落差減小時，懸移質(zhì)含沙量相應(yīng)減小，最大水位落差0.99 m，實測懸移質(zhì)含沙量主要集中在0.006～1.09kg/m3之間。受來水影響，每年主汛期洪水水位變化過程與懸移質(zhì)含沙量變化不完全相同，懸移質(zhì)含沙量與水位落差關(guān)系主要受3種因素影響：①在一次大的洪峰過程中，與多股河道洪峰交疊或頂托時，落差增長率變緩，懸移質(zhì)含沙量相應(yīng)減小，導(dǎo)致懸移質(zhì)含沙量在最大落差之前出現(xiàn)最大懸移質(zhì)含沙量;②受葛洲壩、三峽水庫沖沙泄洪影響，沙峰反應(yīng)時間長，水位與水位落差同時緩慢下降、減小，含沙量隨之呈現(xiàn)相反脈動遞增現(xiàn)象，最大懸移質(zhì)含沙量往往出現(xiàn)在最大落差之后，整體含沙量變化過程滯后;③懸移質(zhì)含沙量變化受洪水脈動影響，含沙量較大時，在斷面上橫向和縱向分布比較明顯[2-4]。

3 測次布置與統(tǒng)計

根據(jù)各年南咀站水位落差與實測懸移質(zhì)含沙量測次分布圖，在水位落差過程線的每個轉(zhuǎn)折點處摘錄所對應(yīng)的測點含沙量，轉(zhuǎn)折處無對應(yīng)的含沙量時，采用鄰近測點。懸移質(zhì)含沙量較大時，在水位落差峰頂峰谷附近，適當(dāng)增加測點含沙量分布測次，即峰頂峰谷的前后各布置一個測點。在三峽水庫沖沙泄洪過程中，由于含沙量變化與水位落差波動，采用全摘錄，重新組合摘錄含沙量測點錄入水文資料整編系統(tǒng)——南方片程序2.0版中運算，計算懸移質(zhì)含沙量年月各特征值，比較新篩選統(tǒng)計的懸移質(zhì)含沙量特征值與原測驗方案的特征值。

3.1 年特征值誤差統(tǒng)計

根據(jù)落差分析，以提取摘錄的懸移質(zhì)含沙量重新整編運算結(jié)果為新方案。與歷年整編結(jié)果為原方案統(tǒng)計對比分析，整編結(jié)果主要包含年最大日平均輸沙率、最大斷面平均含沙量及出現(xiàn)的日期、年平均含沙量、年平均輸沙率和輸沙量。統(tǒng)計結(jié)果見表1～2。

3.2 測次統(tǒng)計

懸移質(zhì)含沙量以落差法摘錄后的測次數(shù)作為新方案與原方案統(tǒng)計比較，結(jié)果見表3。

4 結(jié) 語

根據(jù)水位落差分析方案誤差統(tǒng)計結(jié)果，年最大日平均輸沙率、年最大斷面平均含沙量與原方案保持一致。年平均含沙量、年平均輸沙率及年輸沙量的相對誤差均小于3%，各項誤差均在誤差允許范圍之內(nèi)。從表1～3可以看出，采用水位落差分析方案比原方案測次布置明顯減少，使懸移質(zhì)含沙量測驗布置更為合理。該方法改善了原來盲目水樣采集和固定天數(shù)采樣時間的不足，增強了測驗人員對水位落差和三峽水庫開閘泄洪排沙調(diào)度的關(guān)注，降低了測驗工作的勞動強度和經(jīng)濟成本。

參考文獻：

[1] GB T50159-2015 河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范[S].

[2] 趙志貢，榮曉明，菅浩然，等. ?水文測驗學(xué)[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2014.

[3] 王昌杰. 河流動力學(xué)[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[4] 沈冰，黃紅虎. ?水文學(xué)原理（第二版）[M]. 北京：中國水利水電出版社，2015.

（編輯：唐湘茜）