永寧河永寧鎮(zhèn)水文站單斷沙關(guān)系分析

王春陽

(甘肅省隴南水文水資源勘測(cè)局，甘肅 成縣 742500)

1 測(cè)站及流域概況

永寧河干流發(fā)源于西秦嶺南麓，徽縣西北部大山的東南坡[1]，源地海拔2064.8 m，屬嘉陵江上游一級(jí)支流，位于甘肅省徽縣東部，流域面積2177 km2，河流全長(zhǎng)約170 km。流經(jīng)天水市娘娘壩、李子園、黨川、隴南市徽縣高橋、柳林、永寧鎮(zhèn)、于徽縣嘉陵鎮(zhèn)田家河村注入嘉陵江。永寧鎮(zhèn)水文站位于徽縣永寧鎮(zhèn)，距下游河口(嘉陵江)約19 km，該站屬省級(jí)一般水文站，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目主要有降水量、蒸發(fā)量(E601及20 cm口徑蒸發(fā)同步觀測(cè))、水位、流量、含沙量(包括單樣含沙量及輸沙率)、定點(diǎn)洪水調(diào)查。永寧鎮(zhèn)水文站位置見圖1。

圖1 永寧鎮(zhèn)水文站位置示意圖

2 水文特性

2.1 斷面特性

含沙量的分布形式與河床性質(zhì)、斷面形狀及河道形勢(shì)、泥沙粒徑及上游來水情況等各項(xiàng)因素有關(guān)[2]。斷面的穩(wěn)定與否，對(duì)輸沙率的影響很大，點(diǎn)繪該站近十年的大斷面變化圖(見圖2)，可以看出，測(cè)驗(yàn)斷面相對(duì)穩(wěn)定，沖淤變化小。

圖2 永寧鎮(zhèn)水文站大斷面沖淤變化圖

2.2 降水、蒸發(fā)特性

該站降水量主要來自汛期，對(duì)該站年降水量資料統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，年內(nèi)分配極不均勻，其特點(diǎn)是每年5月～9月雨量高度集中，約占全年降水的80%左右。春季和冬季降水少而不穩(wěn)定，主汛期6月～8月降水量占全年降水量的68.5%；降水量的年際變化相對(duì)較小，多年平均降水量693.8 mm，而多年平均蒸發(fā)量為750.0 mm，遠(yuǎn)大于年降水量。降水年內(nèi)分配見表1，降蒸對(duì)比見圖3。

圖3 永寧鎮(zhèn)站降水蒸發(fā)量趨勢(shì)對(duì)比圖

表1 永寧鎮(zhèn)站降水量年內(nèi)分配表 單位：mm

2.3 徑流特性

利用多項(xiàng)式對(duì)徑流變化進(jìn)行分析，徑流量呈現(xiàn)有規(guī)律的高頻振蕩[3]。由于雨水主要集中在5月～10月，期間多發(fā)生山溪性洪水，常挾帶大量泥沙，含沙量在這段時(shí)間最為集中。在主汛期，徑流量占多年平均徑流量的76.2%，該站多年平均年徑流量為4.12億m3。受降水量分配影響，徑流量具有年內(nèi)分配不均、年際變化大的特點(diǎn)。該站歷年最大流量1860 m3/s，流量過程與降水量過程基本相應(yīng)，最小流量為0.46 m3/s。從圖4可以看出，該站年徑流量呈現(xiàn)逐年減小的趨勢(shì)。

圖4 永寧鎮(zhèn)站年徑流變化趨勢(shì)圖

2.4 泥沙特性

該站及上游均屬山地丘陵旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是永寧河含沙量的主要來源。斷面泥沙主要來源于中上游，源地屬黃土高原向秦嶺的過渡地帶，加上中上游農(nóng)田大量開墾，植被遭到很大破壞，土壤侵蝕嚴(yán)重。根據(jù)泥沙長(zhǎng)系列資料計(jì)算，多年平均含沙量為1.96 kg/m3，主要出現(xiàn)在6月～9月。由于降水徑流的年內(nèi)分配不均，導(dǎo)致輸沙量年內(nèi)分配極不均勻。多年平均含沙量最大值為12.8 kg/m3，最小值僅為0.063 kg/m3，倍比203，相差懸殊；多年平均輸沙率為31.7 kg/s，最大輸沙率為271 kg/s，最小值僅為0.39 kg/s，倍比694.9；輸沙量方面，多年平均輸沙量為100萬t，年最大輸沙量855萬t，最小為1.2萬t，倍比713，年際變化大，輸沙率平均侵蝕模數(shù)490.5 t/km2，點(diǎn)繪輸沙量與年含沙量的變化對(duì)比曲線，輸沙量年內(nèi)分配與含沙量保持一致，輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，主要出現(xiàn)在主汛期(6月～9月)，期間輸沙量占全年的93%；沙峰持續(xù)時(shí)間短、分配不均、變化幅度大是該站泥沙的主要特性。近十年來，天保工程的實(shí)施，加之徑流量減小，河流挾沙能力減弱[4]，含沙量呈逐年減小的趨勢(shì)。

3 輸沙率測(cè)驗(yàn)方法

輸沙率采用瓶式采樣器取樣，過濾法處理，施測(cè)流量時(shí)采用積深法取樣，同時(shí)計(jì)算單樣含沙量。由于河道情況特殊，在測(cè)驗(yàn)斷面布設(shè)4條采樣垂線，分別是起點(diǎn)距35.0 m、40.0 m、45.0 m、50.0 m處，分析計(jì)算各條垂線單樣含沙量，再利用單樣含沙量推求懸移質(zhì)斷面平均輸沙率及斷面平均含沙量，測(cè)驗(yàn)過程比較繁瑣。為了簡(jiǎn)化程序，提高工作效率，采用多年來的輸沙率變化規(guī)律，率定出斷面平均含沙量與單樣含沙量之間的關(guān)系，用單位含沙量直接推算斷面平均含沙量。

《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB/T 50159-2015)[5]規(guī)定：采用積深法測(cè)定垂線平均含沙量，應(yīng)按下式計(jì)算斷面輸沙率及含沙量。

Qs=Csm1q0+q1(Csm1+Csm2)/2q1+q2(Csm1+Csm2)/2
+…+qn-1(Csmn-1+Csmn)/2+Csmnqsmn)

(1)

Cs=Qs/Q

(2)

式中：Qs為過水?dāng)嗝鎯?nèi)的懸移質(zhì)輸沙率；Csm1為第一條采樣垂線的平均含沙量；Csm2為第二條采樣垂線的平均含沙量；Cs為斷面上某一測(cè)點(diǎn)的單樣含沙量；qn為部分流量。

4 單斷沙關(guān)系分析

4.1 技術(shù)依據(jù)及資料選取

按照《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的規(guī)定[5]，測(cè)沙垂線一般不少于5條，有較大洪水時(shí)垂線布設(shè)多達(dá)10條以上。由于徑流量主要在5月～10月，輸沙率也相應(yīng)的此期間測(cè)驗(yàn)，每年取樣一般不少于15次，在計(jì)算分析時(shí)，嚴(yán)格按照上述規(guī)范的要求進(jìn)行。本次選取該站2009年～2019年11年共60次輸沙率測(cè)驗(yàn)資料進(jìn)行單斷沙關(guān)系分析，資料來源于永寧鎮(zhèn)水文站輸沙率實(shí)測(cè)資料，并已整編為成果。所選取的資料變化規(guī)律相似，代表性較強(qiáng)。實(shí)測(cè)輸沙率成果表見表2。

表2 永寧鎮(zhèn)站單斷沙測(cè)驗(yàn)成果表 單位：kg

4.2 單斷沙關(guān)系分析

斷面平均含沙量與某一垂線的單樣含沙量具有一定的關(guān)系[6]。在現(xiàn)行的單斷沙關(guān)系分析上，主要采用的是相關(guān)分析法。點(diǎn)繪該站近十年的單斷沙綜合關(guān)系曲線見圖5。由圖5可以看出，單斷沙綜合關(guān)系曲線和歷年關(guān)系曲線基本重合，采用一元回歸曲線對(duì)單斷沙關(guān)系曲線進(jìn)行分析，分析結(jié)論能達(dá)到要求。按照《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的規(guī)定，分析時(shí)，將這11年60次輸沙率實(shí)測(cè)資料按含沙量大小分成10個(gè)量級(jí)，量級(jí)劃分見表3，計(jì)算得相關(guān)系數(shù)R2=0.9998，分析出歷年綜合單斷沙關(guān)系換算系數(shù)0.9964。經(jīng)過推沙結(jié)果驗(yàn)算，換算系數(shù)精度能滿足要求。

表3 實(shí)測(cè)輸沙率按沙量分級(jí) 單位：kg/m3

圖5 永寧站歷年單斷沙關(guān)系綜合線

4.3 單斷沙關(guān)系線偏離分析

各年泥沙整編采用換算系數(shù)與綜合單斷沙關(guān)系換算系數(shù)誤差分析見表4。按照《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求，如果偏離誤差在±5%以內(nèi)，說明本次分析的換算系數(shù)滿足要求。經(jīng)過表4中的誤差分析統(tǒng)計(jì)，且與歷年綜合單斷沙關(guān)系比較，歷年單斷沙關(guān)系線與綜合關(guān)系線偏差均在1%以內(nèi)，由于資料整編普遍采用《南方片資料整編軟件5.0版本》，在做含沙量計(jì)算時(shí)，基于最小二乘法原理[7]計(jì)算的，所以本次分析出的單斷沙關(guān)系換算系數(shù)精度較高，換算系數(shù)可取K=0.9964。

表4 單斷沙換算系數(shù)誤差分析

5 結(jié)語

通過對(duì)永寧鎮(zhèn)水文站的單斷沙關(guān)系分析，將該站近十年來的輸沙率資料進(jìn)行計(jì)算，得出該站單斷沙關(guān)系換算系數(shù)，利用分析得出的系數(shù)進(jìn)行推沙計(jì)算，結(jié)果表明：?jiǎn)螖嗌酬P(guān)系相關(guān)性較好，按照《河流泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的要求，換算系數(shù)符合規(guī)范規(guī)定，《水文巡測(cè)規(guī)范》(SL 195-2015)[8]規(guī)定：如果經(jīng)分析計(jì)算，該站輸沙率達(dá)到規(guī)范規(guī)定的要求，那么該站輸沙率可以實(shí)行間測(cè)或者停測(cè)。建議：永寧鎮(zhèn)水文站輸沙率停測(cè)，只測(cè)單樣含沙量。利用換算系數(shù)推沙，可作為永寧鎮(zhèn)水文站輸沙率實(shí)行停測(cè)的基本依據(jù)，達(dá)到解放人力、提升工作效率的作用。