梨園河肅南站水文測驗方式改變的可行性分析

劉濤 崔力超

摘 要：利用肅南站35年的水文監(jiān)測資料，分析了梨園河徑流變化規(guī)律及測站控制條件，依托降水、水位遙測儀器設(shè)備，提出水文測驗方式改革可行性方案，以扭轉(zhuǎn)落后的駐測水文模式，建設(shè)流域內(nèi)的自動測報站網(wǎng)系統(tǒng)，為實現(xiàn)水文現(xiàn)代化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水文測驗;可行性;肅南水文站

中圖分類號：P332 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0097-04

Feasibility Analysis on the Change of Hydrological Testing

Mode at Sunan Station of Liyuan River

LIU Tao CUI Lichao

Abstract： Based on the hydrological monitoring data of Sunan Station for 35 years， the rule of runoff variation and the control conditions of the station were analyzed. Relying on precipitation and water level telemetry instruments and equipment， the feasibility analysis scheme of the reform of hydrological measurement mode was put forward. It is hoped that this study can reverse the backward stationary hydrological model and build an automatic hydrological station network system in the basin to lay a technical foundation for the realization of hydrological modernization.

Keywords： hydrological test;feasibility;Sunan Hydrological Station

1 流域概況

梨園河發(fā)源于祁連山區(qū)中段北端，上游為隆昌河，至白泉門與白泉河匯合后始稱梨園河，為內(nèi)陸河流域黑河水系干流的一級支流，經(jīng)梨園堡出祁連山，流入河西走廊張掖盆地后折向北流，至野溝灣注入黑河干流，全長160km。

從祁連山區(qū)到開闊的河西走廊綠洲，梨園河流域氣候差異較大，有明顯的山地垂直氣候特征，氣溫隨海拔的增高而降低，降水量隨海拔的降低而減少，蒸發(fā)能力隨海拔的降低而提高。上游祁連山區(qū)氣候寒冷，屬高寒半濕潤氣候區(qū);下游光熱資源豐富，為大陸性干旱氣候區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)達。

梨園河流域上游植被覆蓋良好，分布有高原草原、高山草甸及零星森林，為重要的產(chǎn)流區(qū)域;中游流經(jīng)高山深谷的火山巖體地帶，荒山禿嶺，植被覆蓋極低，生態(tài)環(huán)境脆弱;下游為西南高、東北低的盆地與平原，分布著綠洲農(nóng)田，為主要的耗水區(qū)域。

梨園河至梨園堡附近被鸚鴿咀水庫截流，用于下游工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，上游水量由肅南水文站控制，出山口水量由鸚鴿咀水庫水文站控制。除黑河集中調(diào)水或水庫泄洪期外，梨園河地表水難以注入黑河干流。

2 研究區(qū)域基本概況

2.1 地理位置

肅南水文站始建于1984年1月，位于甘肅省肅南裕固族自治縣大河鄉(xiāng)喇嘛灣村，地理位置為東經(jīng)99°38′02.9″，北緯38°51′19.2″，測站控制面積1 080km2，控制河長59km，為國家基本水文站、祁連山區(qū)域代表站。肅南水文站（以下簡稱肅南站）地理位置如圖1所示。

肅南站控制流域內(nèi)是下游重要的水源涵養(yǎng)地，不僅是下游綠洲經(jīng)濟的命脈，也是祁連山生態(tài)環(huán)境治理的重點區(qū)域之一。作為水量控制站，其水文過程要素是下游防洪抗旱、生態(tài)治理、工農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要依據(jù)。

2.2 水文特性

肅南站位于祁連山區(qū)地帶，冬季非常嚴寒，降雪稀少;夏季陰濕涼爽，降水相對集中;春秋兩季短促，氣溫日較差大。

據(jù)肅南站歷年實測資料顯示，降水量年平均值為263.7mm，降水量年際變化較小但年內(nèi)分配不均。5—9月為降水集中時段，降水量占全年比重為85.4%，其中6—8月降水量占全年比重為62.2%;其他時段比重僅為5.4%，即在11月至次年3月連續(xù)五個月降水量非常稀少。

肅南站多年平均蒸發(fā)能力為859.8mm。蒸發(fā)量主要集中在光熱資源相對豐富的夏季;秋冬兩季蒸發(fā)量較小;春季常有大風沙塵天氣，蒸發(fā)量大于秋冬兩季。

肅南站徑流主要靠降水產(chǎn)匯流補給，輔以冰川融水及少量泉水，因此，徑流量年內(nèi)分配并不均勻。洪峰流量一般發(fā)生在6—8月降水相對集中的時段。通過分析多年流量資料可知，洪峰特征表現(xiàn)為暴漲暴落，變幅較大，山區(qū)樹木林草導(dǎo)致河道內(nèi)漂浮物眾多。含沙量主要集中于高洪時期，其余時段含沙量較小，非汛期河水清澈見底，含沙量常常目估為零。對多年水沙過程曲線進行分析可知，其峰形相似，過程基本相應(yīng)。肅南站歷年水文特征值見表1。

2.3 測驗河段現(xiàn)狀

肅南站測驗斷面原為自然河床。隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)，城市不斷擴張，2011—2013年，當?shù)叵嚓P(guān)部門開始改造天然河道為景觀河道，導(dǎo)致水位資料不成統(tǒng)一系列。由于其間并無導(dǎo)水或引水工程，所以流量仍為同系列資料。

目前，肅南站測驗河段上下游均為混凝土襯底、兩岸修建為漿砌石護岸。測驗斷面呈規(guī)則的矩形，水流相對平穩(wěn)。肅南站院內(nèi)設(shè)標準氣象場，用以觀測降水量及蒸發(fā)量。

2.4 水文測驗現(xiàn)狀

目前，肅南站測驗項目有水位、流量、含沙量、降水量及蒸發(fā)量，另有洪調(diào)斷面四處，采用駐測的模式進行測驗。2012年，開始安裝雷達水位計，水位可實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

肅南站控制斷面穩(wěn)定，多年水位流量關(guān)系呈穩(wěn)定的單一曲線;含沙量采用過濾法處理，低水時期含沙量為0;降水量使用翻斗式雨雪量計觀測，輔以全年人工觀測，由于天氣嚴寒，降雪期間以人工觀測為主;蒸發(fā)量使用20cm蒸發(fā)皿與E610蒸發(fā)器平行觀測，冬季結(jié)冰后使用20cm蒸發(fā)皿觀測。大洪水過后，對斷面附近四處洪調(diào)斷面進行水量調(diào)查。

3 測驗方式改變的可行性分析

3.1 測驗方式改變的必要性

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，水文行業(yè)承擔的水文信息服務(wù)已滲透到社會各個方面，而單站監(jiān)測并不能起到暴雨山洪預(yù)警作用。洪水災(zāi)害頻發(fā)要求建設(shè)更多的監(jiān)測站點，以自動測報系統(tǒng)為骨架，共同搭建相對密集的水文監(jiān)測站網(wǎng)。而落后的監(jiān)測手段已不適應(yīng)新時期的發(fā)展，新技術(shù)、新儀器的廣泛使用能從根本上改變監(jiān)測困難的局面，同時解放了人力資源，體現(xiàn)了以人為本和諧發(fā)展的理念，使單位和職工都能共享到水文測驗方式改變帶來的巨大變化和福利。

所以，在現(xiàn)有條件下改善職工生活環(huán)境、節(jié)約成本、集中力量拓寬水文業(yè)務(wù)范圍，擴大資料收集途徑，更好地滿足地方防汛抗旱、生態(tài)治理等方面的需求，是新時期社會經(jīng)濟發(fā)展對水文事業(yè)的要求，

3.2 測驗方式改變思路

改變傳統(tǒng)的水文駐守測驗?zāi)Ｊ?，?yīng)用水文自動測報系統(tǒng)是水文改革跨時代的創(chuàng)新，即利用現(xiàn)代遙測、通信、計算機和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，完成流域或測區(qū)水文要素的采集、傳輸和處理的信息系統(tǒng)。隨著中小河流建設(shè)，目前已建成水文自動測報系統(tǒng)，平臺運行良好。

肅南站水位通過多年比測，采用雷達遠傳自記水位計可遠程完成摘錄;汛期特大洪水時采取臨時駐守流量測驗，平水期水位流量多年呈穩(wěn)定的單一曲線，可定歷年綜合水位-流量關(guān)系推求流量，非汛期流量基本穩(wěn)定，年際變化不大，用多年均值代替;降水量采用翻斗式雨雪量計觀測，數(shù)據(jù)自動收集記錄，含沙量、蒸發(fā)量作為區(qū)域站已收集57年系列資料，資料系列已能滿足區(qū)域社會經(jīng)濟建設(shè)的需要，可停測或采用含沙量、蒸發(fā)自動監(jiān)測設(shè)備代替人工觀測。

3.3 水文資料分析

3.3.1 水位-流量關(guān)系分析。肅南站測驗斷面穩(wěn)定，大斷面如圖2所示。自河道改建完工后，斷面處水流平穩(wěn)，汛期水位流量關(guān)系呈單一線;冬季斷面處受結(jié)冰影響，水位流量關(guān)系點據(jù)散亂，采用連實測流量過程線法推流。

點繪肅南站2015—2017年實測流量共85個樣本點，如圖3所示。從圖3可以看出，點據(jù)分布均勻而密集，呈帶狀分布，關(guān)系線兩側(cè)點據(jù)分布無明顯系統(tǒng)偏離，曲線的三種檢驗均合格，定線結(jié)果符合《水文巡測規(guī)范》（SL 195出，點據(jù)分）[1]及《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）[2]中規(guī)定的精度要求。

經(jīng)分析計算，使用綜合曲線與原定曲線比較，肅南站年徑流總量及汛期徑流總量相對誤差分別為-1.7%、-0.7%，符合《水文巡測規(guī)范》（SL 195—2015）[1]中規(guī)定的二類站±3.0%～±3.5%的精度要求。

3.3.2 蒸發(fā)系列資料分析。肅南站為內(nèi)陸河流域黑河水系梨園河上游區(qū)域代表站，區(qū)域代表性較強。選用1979—2017年39站年蒸發(fā)量資料點繪分析，蒸發(fā)量單站累計曲線呈直線變化，說明蒸發(fā)量沒有明顯的系統(tǒng)性改變，見圖4。

3.3.3 徑流退水資料分析。據(jù)歷年資料統(tǒng)計，梨園河自每年10月中旬開始退水，氣溫降低，上游山區(qū)開始結(jié)冰，至次年2月進入枯水期，流量達到最小;隨著氣溫回升，2月以后徑流量開始有緩慢增加的趨勢[3]。

點繪多年平均與歷年平均退水曲線進行比較，其中多年平均選用2005—2013年，近10年平均選用2004—2013年，近5年平均選用2008—2013年，共同點繪退水曲線對比圖見圖5。從圖中可以看出，自10月中旬開始到次年4月上旬，年際間旬平均流量變化并不大，且分布呈有規(guī)律的帶狀，而近10年平均、近5年平均退水曲線變化趨勢基本一致。

3.3.4 枯季徑流分析。通過退水分析，肅南站退水過程穩(wěn)定且變化趨勢一致，可據(jù)此劃分穩(wěn)定的枯水時段，即為每年11月至次年3月，見圖5。因此，可用歷年平均11月至次年3月的月平均徑流量（流量）代替該站枯水期11月至次年3月的月平均徑流量（流量），經(jīng)計算分析，其誤差基本符合《水文巡測規(guī)范》（SL195-2015）低枯水期允許誤差關(guān)于二類精度水文站的精度指標規(guī)定。

從全年徑流量對比計算，枯水期11月至次年3月的徑流量非常小，使用平均值對總徑流量統(tǒng)計并不造成太大影響，枯季徑流占比表見表2。

4 結(jié)論

肅南站已有35年系列水文資料，基本呈現(xiàn)了梨園河徑流變化規(guī)律，汛期可采用歷年綜合水位流量關(guān)系推流，枯季退水基本穩(wěn)定，且枯水期流量較小，采用歷年均值進行統(tǒng)計，精度滿足《水文巡測規(guī)范》（SL 195—2015）的精度要求，已完全具備全年巡測條件。如遇特殊年份，枯季降水、徑流增加較大時，應(yīng)在枯季進行巡測，恢復(fù)流量測驗。

降水和水位采用遠傳式自動測報系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，并按規(guī)范規(guī)定摘錄;蒸發(fā)量資料系列穩(wěn)定，可停測，使用資料時可按趨勢進行插補，或安裝自動E601B水面蒸發(fā)器遠程監(jiān)測。含沙量受上游水利工程及景觀河道多級固床壩影響，已失去區(qū)域代表性，無法研究天然河流挾沙能力，可停測;洪水調(diào)查仍然在汛后進行一次測驗。

在特大洪水期間，應(yīng)采用暫時駐測的方式，用自動化儀器和人工測驗并存的方式確保安全度汛。

據(jù)此，在確保水文資料精度的前提下，可實現(xiàn)肅南站由駐測向無人值守站點的轉(zhuǎn)變，從而改變落后的測驗方式，以有限的人力資源建設(shè)更多的自動化站網(wǎng)，提高流域面上的水文監(jiān)測能力，使水文工作真正起到預(yù)警減災(zāi)、抗旱抗洪的作用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.水文資料整編規(guī)范：SL 247—2012[S].北京：中國水利水電出版社，2012.

[2]中華人民共和國水利部.水文巡測規(guī)范：SL 195—2015[S].北京：中國水利水電出版社，2016.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.河流流量測驗規(guī)范：GB 50179—2015[S].北京：中國計劃出版社，2016.