渭河干流下游造床流量與有效流量的時(shí)空變化特征

代雙亮, 韓劍橋, 曹綺欣, 李 聰

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;3.中國電建西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 西安 710065; 4.中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司, 武漢 430064)

天然河道內(nèi)水沙變化是導(dǎo)致河床形態(tài)調(diào)整的主要因素，為研究河床演變特征，目前多采用造床流量、有效流量和平灘流量作為水沙條件的表征指標(biāo)[1-2]。造床流量是指其造床作用與多年流量過程的綜合造床作用相當(dāng)?shù)哪骋环N流量[3]。有效流量是一個(gè)虛擬的統(tǒng)計(jì)量，指的是天然河流某一時(shí)段內(nèi)水沙過程中輸送泥沙最多的某級流量[4]。平灘流量是指某一斷面水位與灘唇齊平時(shí)該斷面所通過的流量[5]。研究這些特征流量的變化及原因，對于河流演變及其規(guī)劃治理具有重要意義[6-8]。

渭河是黃河最大支流，也是黃河中下游的三大洪水來源之一[9]。近60 a來，受人類活動(dòng)與氣候變化的共同影響，河流水沙及河床邊界條件不斷變化，促使渭河下游河床形態(tài)頻繁調(diào)整[10]。為滿足渭河下游河道規(guī)劃治理的需求，已有研究目前多采用平灘流量代替造床流量。如張冰潔等[11]采用平灘水位法計(jì)算了咸陽、臨潼和華縣水文站的造床流量，分別為3 710，3 560，3 140 m3/s，呈沿程減小特點(diǎn)。但是，已有研究表明，在河床沖淤平衡情況下，平灘流量與造床流量才基本一致[12-13]。因此，在沖淤變化較大的渭河下游，能否使用平灘流量代替造床流量還需考證。此外，作為天然河流某一時(shí)段內(nèi)水沙過程中輸送泥沙最多的有效流量，在渭河下游還未有研究，有效流量、造床流量與平灘流量之間的關(guān)系也較少涉及。

為此，本文采用改進(jìn)的馬卡維也夫法和分組頻率法分別計(jì)算造床流量與有效流量，分析渭河下游造床流量和有效流量的時(shí)空變化特征及其影響因素，并探討造床流量、有效流量和平灘流量3種特征流量之間的關(guān)系，以期為渭河下游規(guī)劃與管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域

渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，主要流經(jīng)隴東黃土高原、天水盆地和寶雞峽谷進(jìn)入關(guān)中平原，于渭南市潼關(guān)縣匯入黃河。渭河全長818 km，平均徑流量為78.89億m3/s[14]，多年平均含沙量50 kg/m3，年平均輸沙量4.43億t，占黃河實(shí)測來沙量的35%[15]。

渭河下游自咸陽至河口全長約208 km，流域面積8.8萬km2，設(shè)有咸陽水文站(108°41′50″E，34°19′28″N)、臨潼水文站(109°12′6″E，34°25′51″N)和華縣水文站(109°45′40″E，34°34′58″N)。渭河下游屬于沖積性河流，自三門峽水庫建成后，泥沙淤積嚴(yán)重，河道主槽寬度束窄明顯、主槽擺動(dòng)加劇且過水?dāng)嗝嬷饾u萎縮。渭河下游入?yún)R的支流眾多，其中北岸主要有涇河、石川河和北洛河3條較大支流；南岸匯入支流源自秦嶺北麓，坡陡流急，含沙量小，對含沙量較高的渭河干流有“稀釋”作用[16]。

2 資料與方法

2.1 資料來源

為計(jì)算造床流量與有效流量，收集渭河下游咸陽水文站(1956—2015年)、臨潼水文站(1956—2015年)和華縣水文站(1934—2015年)的逐日平均流量、逐日平均含沙量和逐日平均輸沙率數(shù)據(jù)。其中1990年及其之前的數(shù)據(jù)由西北農(nóng)林科技大學(xué)水文氣象資料數(shù)據(jù)庫提供，1990年之后的數(shù)據(jù)來自于中華人民共和國水文年鑒黃河流域水文資料。

為比較造床流量、有效流量與平灘流量之間的關(guān)系，本文引用戴清[16]、馬雪妍[17]等計(jì)算的渭河下游的平灘流量。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 造床流量計(jì)算方法 造床流量與來水和來沙兩個(gè)條件有關(guān)，本文選取長系列流量數(shù)據(jù)以10 a為一個(gè)年代區(qū)間計(jì)算造床流量，其中2010—2015年按照一個(gè)年代來計(jì)算。計(jì)算方法采用改進(jìn)的馬卡維也夫法[18]，步驟如下：

(1) 確定參數(shù)m值。用冪函數(shù)Qs=aQm對水文站的日均輸沙率和日均流量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并通過線性回歸的指標(biāo)R2檢驗(yàn)擬合效果，從而確定計(jì)算時(shí)段內(nèi)的m值。

(1)

(2)

(3)

(3) 確定造床流量。將上述步驟求得的m值和α，β，a0值代入公式(4)求解x得到兩個(gè)值，取二者的最大值即為造床流量。

(4)

按照上述3個(gè)步驟即可求得各個(gè)水文站每個(gè)計(jì)算時(shí)段內(nèi)的造床流量。

2.2.2 有效流量計(jì)算方法 有效流量是指天然河流某一時(shí)段內(nèi)水沙過程中輸送泥沙最多的某級流量，是一個(gè)虛擬的統(tǒng)計(jì)量。對于有效流量的計(jì)算，我們根據(jù)渭河下游流量變差系數(shù)較大的特征，采用了Wolman等[19]提出的地貌功的概念計(jì)算有效流量，計(jì)算時(shí)段選取與造床流量保持一致，其具體步驟如下：

(1) 計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)流量的標(biāo)準(zhǔn)差，采用標(biāo)準(zhǔn)差的3/4作為標(biāo)準(zhǔn)將流量劃分為若干量級，保證分組數(shù)目為10～25組[20]。

(2) 統(tǒng)計(jì)不同流量區(qū)間的流量在該時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的頻率Pi。

(3) 計(jì)算不同流量區(qū)間的輸沙率和頻率的乘積QiSiPi，其中Qi為各流量區(qū)間的平均值，Si為該流量區(qū)間對應(yīng)含沙量的平均值，Pi為該流量區(qū)間對應(yīng)的頻率。QiSiPi最大時(shí)的流量區(qū)間中值即為有效流量[21]。

按照上述3個(gè)步驟便可求得各個(gè)水文站每個(gè)計(jì)算時(shí)段內(nèi)的有效流量。

3 結(jié)果與分析

3.1 渭河下游年際水沙變化過程

渭河下游河段的年際水沙變化過程如圖1所示。1934—2014年，年均流量呈波動(dòng)性下降的趨勢。年均流量由1970年前的171～197 m3/s下降至1970年后的71～144 m3/s。年均含沙量盡管在1980年前呈增加趨勢，但1980年后急劇下降，從40.08 kg/m3逐漸減小到1.09 kg/m3。1934—1970年年均輸沙率從5.66 t/s增加到6.13 t/s，變化不大，但在1970—2014年，輸沙率急劇下降，從6.13 t/s逐漸減小到0.58 t/s。因此，自20世紀(jì)70年代之前渭河年均水沙數(shù)量呈增大態(tài)勢，之后急劇減小。

圖1 咸陽水文站年際水沙變化

3.2 造床流量的時(shí)空變化特征

通過線性回歸方法中的R2指標(biāo)檢驗(yàn)冪函數(shù)擬合成果，咸陽站R2為0.587 4～0.788 5，臨潼站R2為0.557 8～0.730 4，華縣站R2為0.627 1～0.805，均大于0.55，擬合結(jié)果較好，數(shù)據(jù)具有一定可靠性。在此基礎(chǔ)上，繪制1930—2015年咸陽、臨潼與華縣水文站的造床流量變化(圖2)。在時(shí)間上，3個(gè)水文站的造床流量均隨時(shí)間發(fā)展逐漸減小。其變化范圍由1980—1989年之前的561～1 586 m3/s減小到之后的254～885 m3/s。在空間上，除了1990—1999年臨潼站的造床流量大于同時(shí)段的華縣站之外，其余同時(shí)段的造床流量均呈現(xiàn)下游大于上游的特點(diǎn)，如2000—2009年時(shí)間段內(nèi)，咸陽、臨潼與華縣水文站的造床流量分別為281，723，885 m3/s。

圖2 渭河下游干流河段各水文站造床流量變化

3.3 有效流量的時(shí)空變化特征

咸陽、臨潼與華縣水文站的有效流量變化如圖3所示。在時(shí)間上，除華縣站有效流量在1930—1939時(shí)段至1950—1959時(shí)段大幅下降外，其他年份波動(dòng)變化，3個(gè)水文站的變化趨勢也基本一致，均在1 000 m3/s以下。在空間上，除臨潼站1970—1979年的有效流量小于上游咸陽站，2000—2009年的有效流量略大于下游華縣站外，其他時(shí)段下游水文站的有效流量均大于上游，與造床流量的下游流量始終大于上游流量的結(jié)論基本一致。如1990—1999年時(shí)段，咸陽、臨潼與華縣水文站的有效流量分別為217，496，531 m3/s。

4 討 論

4.1 造床流量與有效流量的影響因素

徑流量與含沙量是影響造床流量的主要因素，張為等[22]認(rèn)為長江中下游的徑流量與造床流量呈正相關(guān)關(guān)系，陳棟等[23]認(rèn)為輸沙量對造床流量有重要影響。點(diǎn)繪渭河下游各站的年徑流量、含沙量、輸沙率與特征流量的關(guān)系見圖4?？梢钥闯觯齑擦髁侩S著年均流量、含沙量和輸沙率的增大而增大，呈正相關(guān)關(guān)系，與已有研究結(jié)論一致。徑流量由于匯水而沿程增加，也導(dǎo)致了造床流量的沿程增大，有效流量隨徑流量增大也呈增加趨勢，與馬元旭等[4]針對無定河流域研究有效流量和徑流量關(guān)系的結(jié)論一致。但是有效流量對含沙量和輸沙率變化的響應(yīng)相對不明顯。

圖3 渭河干流下游河段各水文站有效流量變化

圖4 造床流量和有效流量與年徑流量、含沙量和輸沙率關(guān)系

4.2 造床流量、有效流量與平灘流量的關(guān)系

1930—2015年渭河下游河段各水文站的造床流量與有效流量比較見圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)，各水文站內(nèi)有效流量基本都小于造床流量，如咸陽站2000—2009年時(shí)段內(nèi)的造床流量與有效流量分別為281，185 m3/s。從各站造床流量與有效流量的變化過程來看，除了咸陽站1980年以后造床流量與有效流量變化趨勢接近一致，造床流量和有效流量在其余站點(diǎn)隨時(shí)間的變化趨勢并不一致。因此，在計(jì)算時(shí)段內(nèi)，渭河下游的造床流量并不等價(jià)于有效流量。

平灘流量是指水位與河漫灘相平時(shí)的流量，流速大，輸沙能力高，造床作用強(qiáng)。在河床沖淤相對平衡的長時(shí)段內(nèi)，平灘流量可作為造床流量。根據(jù)文獻(xiàn)[16—17]統(tǒng)計(jì)了1960—2009年渭河干流下游河段臨潼站和華縣站的平灘流量，并將這兩個(gè)站點(diǎn)的平灘流量與本文計(jì)算的造床流量進(jìn)行比較(表1)?？梢钥闯觯齑擦髁窟h(yuǎn)小于平灘流量，該結(jié)論與Benson等[24]的研究結(jié)果一致。如華縣站在1970—1979年時(shí)段內(nèi)，造床流量與平灘流量分別為984，2 370 m3/s。其原因可能在于渭河水沙在近期持續(xù)減少，河床不斷調(diào)整，河流處于非平衡的狀態(tài)。因此，在計(jì)算時(shí)段內(nèi)，在渭河下游采用平灘流量計(jì)算造床流量是不合適的。

圖5 渭河干流下游河段各站造床流量與有效流量變化

表1 臨潼站和華縣站1960-2009年造床流量和平灘流量 m3/s

5 結(jié) 論

(1) 通過計(jì)算1934—2015年渭河下游咸陽站、臨潼站和華縣站的造床流量與有效流量，發(fā)現(xiàn)在時(shí)間上，從1934年至今，渭河下游的造床流量大致呈隨時(shí)間減小特點(diǎn)，而有效流量波動(dòng)變化。在空間上，造床流量與有效流量均呈現(xiàn)出下游大于上游的特點(diǎn)。

(2) 通過分析年均徑流量、含沙量和輸沙率3個(gè)水文要素的變化特征，并與特征流量比較后發(fā)現(xiàn)年均徑流量、含沙量與輸沙率對造床流量影響較大，而含沙量與輸沙率對有效流量影響較小。

(3) 在通過上文計(jì)算得到的造床流量和有效流量的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的渭河下游的1960—2009年的平灘流量，發(fā)現(xiàn)在渭河下游的特征流量中，平灘流量最大，在1 040～4 850 m3/s變化；造床流量次之，在473～1 211 m3/s變化；而有效流量最小，在185～646 m3/s變化。三者并不一致。所以在本文的計(jì)算時(shí)段內(nèi)，采用平灘流量法計(jì)算渭河下游的造床流量是不合適的。

致謝：西北農(nóng)林科技大學(xué)圖書館提供了本文的部分?jǐn)?shù)據(jù)，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所馬元旭老師對本文研究方法提供了大力支持，在此特別致謝。