大王廟水文測站實測水文數(shù)據(jù)特性分析

陳欣欣

(河南省開封水文水資源勘測局，河南 開封 475000)

1 大王廟水文站概況

1.1 測站概況

1958年河南省水利廳設立唐寨水文站，由杞縣水利局領導；1962年由開封專署水利局領導；1963年由水利廳領導；1964年4月17日由水利部河南省水文總站領導。該站下遷4 km后改為大王廟水文站，位置設在河南省開封市杞縣裴村店鄉(xiāng)周崗村，惠濟河的右岸，地理坐標為：東經(jīng)114°51′，北緯34°33′，是惠濟河上的源頭站，控制流域面積1 265 km2，河長59.00 km，河流平均比降1/4 800，距河口距離122 km。此站是河南省重點水文站(Ⅱ級河道水文站)，是豫東平原代表站。

1.2 測站功能

大王廟水文站擔負著向省、市報汛任務，承擔惠濟河上游水文水資源基本信息采集、水資源評價、區(qū)域防洪等重要任務，為淮河流域水資源開發(fā)利用與保護、防汛抗旱、水利工程建設與管理、工農(nóng)業(yè)用水、城市供水等方面提供基礎水文資料信息，對開封市及淮河下游防汛起著重要作用。

1.3 測驗基本情況

1.3.1 測驗河段情況

大王廟水文站測驗河段順直。斷面為復式斷面，夏秋兩岸灘地有莊稼，河道內(nèi)種有樹木，影響行洪，河床為壤土，沖淤變化不大。上游1.20 km有李崗攔河閘一座，測驗受閘啟閉影響；下游12 km有板橋攔河閘一座，時有頂托現(xiàn)象發(fā)生。

1.3.2 測驗斷面布設情況

大王廟水文站基本水尺斷面兼流速儀測流斷位于測驗河段中部。

1.3.3 測驗項目

大王廟水文站主要觀測項目有：降水、水位、流量、單沙、輸沙率、蒸發(fā)、水文調(diào)查、水質(zhì)、水溫、冰情、墑情等，并開展水情報汛、資料整編和水文分析。

2 水文氣候及地形地貌

2.1 水文氣候

年平均氣溫14℃。歷年極端最高溫度42.90℃(1966年7月19日)，歷年極端最低溫度-16℃(1971年12月27日)，平均濕度為70%～80%，多年平均降水量由東南向西北遞減，年降水量分布不均，且多集中在幾場暴雨，易形成洪澇災害。與年降水量地域分布相反，年平均蒸發(fā)量則是由東南向西北遞增。春季多風，平均風速3.50～4.50 m/s，歷年最大風速為28 m/s。日照時間隨季節(jié)而變化，從2月最短逐漸變長，到6月達到最大值，然后又逐漸變短。多年平均日照2 298.70個時數(shù)，多年月平均2月最短日照為142.80 h，6月最長日照時間為249.00 h。氣溫隨季節(jié)變化，春秋晝夜溫差較大，多年平均溫度14.90℃，歷史最高氣溫43℃出現(xiàn)在1972年；歷史最低氣溫-16℃出現(xiàn)在1971年。多年平均無霜期221 d。初霜一般發(fā)生在11月3日左右，終霜一般發(fā)生在3月27日左右。

2.2 地形地貌

區(qū)內(nèi)平均海拔為58 m，介于53.40～64.40 m，相對高差為11 m，平均坡降為1/5 000。除縣境東部黃河故道上有少數(shù)3～5 m高的沙丘外，其余均為平地，按其成因可分為沖積風積沙丘砂地和黃泛沖積平原兩種地貌類型。

3 測站特性

3.1 降水特性

降水量年內(nèi)分布不均，7-9月降水量占全年降水量的70%以上。統(tǒng)計了1964—2019年56年實測資料，大王廟站多年平均降水量650.00 mm，最大年降水量為1 180.00 mm，最小年降水量為179.20 mm，最大日降水量為254.40 mm。年平均蒸發(fā)量1 600～2 000 mm，其中5月和6月兩個月蒸發(fā)量最大，占全年蒸發(fā)量的25%～30%；12月和1月兩個月的蒸發(fā)量共占全年蒸發(fā)量的5%～10%。

3.2 水沙特性

該站斷面洪水主要是流域降水形成，洪水緩漲緩落，洪峰歷時較長，沙峰一般與洪峰配套，且略滯后于洪峰。非汛期河道主要為開封市退水，近年來枯水期為保證河道生態(tài)水量，加大引黃水量，河道水體含沙量較大。河道遇大洪水或大量引黃時略有淤積。統(tǒng)計大王廟水文站1964—2019年資料，實測多年平均懸移質(zhì)含沙量3.07 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙率39.20 kg/s，多年平均懸移質(zhì)年輸沙量123萬t。2019年單斷沙關系比例系數(shù)為0.96，曲線標準差3.80%，斷沙采用單斷沙關系線法推求。

3.3 斷面沖淤情況

大王廟水文站于2015年斷面下遷1.00 km至基本斷面測流，故本報告僅統(tǒng)計了2015年以來汛前實測大斷面資料，大王廟站汛前實測大斷面情況詳見圖1。

圖1 大王廟站2015—2019年實測大斷面套繪圖

3.3 水位～流量關系

該站水位～流量關系表現(xiàn)為多線關系。低水時水位～流量關系紊亂；中高水時水位～流量關系較好，一般為單一線；高水時水位～流量關系一般為逆時針繩套，斷面多為漲沖落淤。

3.4 水文特征值

大王廟水文站實測最高水位60.06 m，出現(xiàn)日期1971年6月30日，相應流量272 m3/s，施測方法：人工水尺觀測；實測最大流量309 m3/s，出現(xiàn)日期1977年7月11日，相應水位59.60 m，施測方法：流速儀；建站以來最大流量313 m3/s，出現(xiàn)日期1977年7月11日，相應水位59.71m，施測方法：曲線推求；實測最大流速2.10 m/s，出現(xiàn)日期1977年7月10日，相應水位(流量)59.17 m(273 m3/s)，施測方法：流速儀；實測最大水深5.18 m，出現(xiàn)日期1971年6月30日，相應水位(流量)60.06 m(272 m3/s)，施測方法：鉛魚；實測最大含沙量29.20 kg/m3，出現(xiàn)日期1977年8月13日，相應水位(流量)57.33 m(103 m3/s)，施測方法：瓶式采樣器。

3.5 徑流量

分析1956—2019年大王廟水文站徑流資料，看出徑流呈逐年下降趨勢。大王廟水文站多年年平均流量12.80 m3/s，徑流的年內(nèi)分配因受補給條件的影響而四季分明，冬季(12 月-次年2月)氣溫低，降水少，徑流主要靠地下水補給，流量較小，這一時期為枯水期，來水量占全年總量的 0.78%；春季(3-5月)來水量占全年總量的14.50%；夏秋兩季(6-11月)來水量占全年總量的77.70%，是流域降水較多時期，也是河流發(fā)生洪水的時期。

3.5.1 多年天然徑流量

大王廟水文站多年平均天然徑流量為8.00×107m3，最大天然徑流量2.92×107m3，發(fā)生在1964年，與流域最大降水量1 056.30 mm相對應；最小天然徑流量8.90×106m3，基本與流域最小降水量335.50 mm相對應。大王廟多年天然徑流量見圖2。

圖2 大王廟多年天然徑流量柱狀圖

3.5.2 徑流量在年內(nèi)分配

多年各月天然徑流量年內(nèi)時空布不均，從1-8月，逐月增大到8月達到最大值，然后從9月開始天然水量逐月減小至12月，為了直觀，把月平均天然徑流量、月平均降水量年內(nèi)變化，繪制過程變化圖(圖中天然徑流量以徑流深表示)，見圖3。從圖中可以看出大王廟多年各月天然徑流量變化過程，隨降水量大小而變化，走勢一致，相關性較強，其中天然徑流量落后降水量，說明從降水到產(chǎn)流有一個過程。降水量、徑流量集中發(fā)生在6-9月份。大王廟6-9月份降水量占全年66%，徑流量占全年的62%。大王廟多年月天然徑流量分布圖見圖4。

圖3 大王廟徑流深、降水量年內(nèi)變化圖

圖4 大王廟多年月天然徑流量分布圖

3.5.3 徑流量年季變化

大王廟天然徑流量隨著年降水量的豐枯而交替出現(xiàn)豐枯變化，但時間不同，連續(xù)干旱(枯水期)持續(xù)時間要長于連續(xù)洪澇年(豐水年)，波段的峰值和谷值越來越低，變幅越來越小，年季變化越來越不明顯，豐水期的年徑流量波動較大，枯水期的年徑流量波動較小。近年來徑流量逐漸變小處于枯水期，甚至還有發(fā)展趨勢，見圖5。

圖5 大王廟徑流量、降水量年季變化圖

3.5.4 徑流特征值

大王廟流域面積1 265 km2，多年平均降水量639.70 mm，多年平均天然徑流量7.95×107m3，多年平均天然徑流深62.80 mm，徑流系數(shù)0.098，徑流模數(shù)0.002 0。

3.5.5 不同頻率徑流量

將大王廟站歷年天然水資源量按從大到小的次序進行排序，應用公式P=m/n+1計算實測系列的經(jīng)驗頻率，利用皮爾遜Ⅲ型曲線，調(diào)整Cv值為0.32，Cs值為0.55，Cs/Cv值為1.72，得到與經(jīng)驗點據(jù)配合較好的理論頻率曲線，查線得出豐水年P=5%對應的平均徑流量為1.64×108m3；偏豐水年P=25%對應的平均徑流量為1.02×108m3；平水年P=50%對應的平均徑流量為7.03×107m3；偏枯水年P=75%對應的平均徑流量為4.74×107m3；枯水年P=95%對應的平均徑流量為2.68×107m3。

3.5.6 不同頻率典型年的徑流量

根據(jù)不同保證率的年徑流量，從系列資料中挑選年徑流量與之相符的年份作為相應保證率的典型年，進行典型年的月分配。大王廟站豐水年P=5%的典型年1957年；偏豐水年P=25%的典型年1998年；平水年P=50%的典型年1976年；偏枯水年P=75%的典型年1991年；枯水年P=95%的典型年1987年。

大王廟對應不同頻率的典型年徑流量計算成果見表1。

表1 大王廟地表水資源不同頻率典型年分配表 單位：104 m3

從表中可以看出：①不同頻率的典型年徑流量從1月份最小逐月增大，一般到8月達到最大，然后逐漸變小基本與降水一致；②連續(xù)四個最大月不同頻率的年徑流量占全年徑流量從53.50%～85.40%，最小年份也超過全年徑流量的50%；③豐水年、偏豐水年連續(xù)四個最大月占全年百分比明顯高于偏枯水年、枯水年百分比，說明豐水年降水多，且出現(xiàn)在汛期，產(chǎn)流量大；④非汛期徑流量變化不大，豐水年汛期徑流量明顯偏大。

4 結(jié)論

該站降水量年內(nèi)分布不均，7-9月降水量占全年降水量的70%以上；洪水一般發(fā)生在5-10月，多為暴雨形成，斷面洪水主要是流域降水形成，洪水緩漲緩落，洪峰歷時較長，沙峰一般與洪峰配套，且略滯后于洪峰；斷面沖淤變化不大；水位～流量關系為多線關系；徑流主要由流域降水補給形成，徑流年內(nèi)分配、年際變化與降水變化基本一致，徑流呈逐年下降趨勢，徑流年內(nèi)分配因受補給條件的影響而四季分明；多年各月天然徑流量變化過程，隨降水量大小而變化，走勢一致，相關性較強；天然徑流量年季變化越來越不明顯，豐水期的年徑流量波動較大，枯水期的年徑流量波動較?。粡搅髁控S水年降水多且出現(xiàn)在汛期，產(chǎn)流量大。