高含沙洪水對水位流量關(guān)系影響探究

王志勇，孫建民

（黃委河南水文水資源局，河南 鄭州 450004）

1 前言

2018年7月黃河小浪底水庫進(jìn)行了防洪預(yù)泄，小浪底水庫出庫站小浪底水文站最大含沙量達(dá)到435 kg/m3，流量達(dá)到4 490 m3/s，出沙時間較長，含沙量大，是這次防洪預(yù)泄的特點(diǎn)。從小浪底水文站的水位流量關(guān)系看，高含沙洪水對水位流量關(guān)系影響較大，因此對小浪底站高含沙洪水對水位流量關(guān)系特性的影響進(jìn)行分析，以達(dá)到積累經(jīng)驗，提高測報質(zhì)量，更好地為防洪減災(zāi)服務(wù)。

2 水位、流量過程

受小浪底大壩閘門變動影響，水位、流量過程變化較快，流量變動范圍約1 320～4 490 m3/s，見圖1。

圖1 小浪底水文站水位流量過程線圖

3 含沙量過程

整個含沙量過程分為兩個階段（圖2），第一階段7月3日到11日，含沙量約為0～150 kg/m3，第二個階段為7月11日到24日，含沙量約為20～435 kg/m3。含沙量大，出沙時間長，是這次調(diào)水調(diào)沙的特點(diǎn)。

圖2 含沙量過程線圖

4 水位、流量關(guān)系

小浪底站測驗河段為砂卵石河床，洪水期河床穩(wěn)定，沖淤不明顯，含沙量不大的情況下，測驗河段水位流量關(guān)系為單一線。2015年小浪底水文站大水期間沒有含沙量，水位流量關(guān)系見圖3。

圖3 2015年小浪底水文站水位流量關(guān)系圖

2018年7月3-24日高含沙洪水期間小浪底水文站水位流量關(guān)系（圖4），實(shí)測流量點(diǎn)比較散亂，構(gòu)不成單一水位流量關(guān)系。

圖4 2018年小浪底水文站高含沙洪水水位流量關(guān)系圖

5 高含沙對水位流量關(guān)系特性的影響

高含沙洪水會使洪峰流量沿程增大。從圖3、4可以看出，高含沙量對水位流量關(guān)系影響較大。為分析含沙量對水位流量關(guān)系特性的影響，下面分幾種情況進(jìn)行探討。

5.1 含沙量大小對水位流量關(guān)系的影響

把含沙量57～71 kg/m3和111～117 kg/m3期間實(shí)測的流量分別都挑出來，點(diǎn)繪水位流量關(guān)系（圖5），圖上兩種相差較大的含沙量對水位流量關(guān)系沒有造成明顯不同，構(gòu)不成兩個明顯不同的系列，因此含沙量不是決定水位流量關(guān)系的決定性因素。圖5上最右邊2個圓點(diǎn)是111～117 kg/m3期間實(shí)測的水位流量關(guān)系點(diǎn)，偏大的原因后面分析。

圖5 不同含沙量下的水位流量關(guān)系圖

5.2 漲、落沙過程對水位流量關(guān)系的影響

根據(jù)圖2含沙量過程線，分別點(diǎn)繪沙峰1前、后，沙峰2前、后水位流量關(guān)系實(shí)測點(diǎn)（圖6）。從整體上看，沙峰1、2落沙側(cè)，點(diǎn)位比較集中，大體上偏左，水位流量關(guān)系靠左；沙峰1、2的漲沙側(cè)，水位流量關(guān)系點(diǎn)位散亂，大體上偏右，水位流量關(guān)系靠右，就像圖5 中兩個偏大的點(diǎn)，經(jīng)過查看都是處于漲沙側(cè)時期。結(jié)論：①沙峰前后，就是漲沙階段和落沙階段對水位流量關(guān)系影響是不一樣的。漲沙階段水位流量關(guān)系靠右，落沙階段水位流量關(guān)系靠左。②漲沙階段水位流量關(guān)系散亂，落沙階段水位流量關(guān)系相對集中。

圖6 沙峰前后水位流量關(guān)系圖

5.3 高含沙對水位流量關(guān)系影響的原因分析

5.3.1 原因

沙峰前后對水位流量關(guān)系影響的不同，可以從物理學(xué)角度去解釋。根據(jù)物理學(xué)的動量守恒定律：M1V1+M2V2=M1V11+M2V21。漲沙側(cè)后面的含沙量大于前面的含沙量，也就是M2>M1，當(dāng)后面質(zhì)量大的洪水趕上質(zhì)量小的洪水時，質(zhì)量小的洪水就會加速前進(jìn)，這也是以前調(diào)水調(diào)沙時洪峰增值的原因之一。落沙側(cè)正好相反，前面洪水含沙量大于后面洪水含沙量，M1>M2，因此當(dāng)質(zhì)量小的洪水趕上質(zhì)量大的洪水時，由于增加的動量小，也就不影響前面洪水的速度。因此按照這個理論分析落水側(cè)的水位流量關(guān)系應(yīng)該和清水期間水位流量關(guān)系相一致。因此圖6中沙峰1后、沙峰2后的水位流量關(guān)系比較接近。

5.3.2 水位流量關(guān)系分析

根據(jù)上面分析的原因，對圖6沙峰前后水位流量關(guān)系進(jìn)一步分析。

5.3.2.1 沙峰前水位流量關(guān)系

沙峰前實(shí)測點(diǎn)散亂原因：一是水的流速和后面高含沙洪水的動量增速有關(guān)，也就是后面洪水的含沙量增大越快，前面水的流速增加就越大，也就是和含沙量的增大速率有關(guān)，也就是說漲沙側(cè)含沙量增大速率不一致造成的流速增大不同而引起的點(diǎn)位散亂；二是大的漲落沙過程中包含小的漲落沙過程所致。

5.3.2.2 沙峰后水位流量關(guān)系

沙峰后水位流量關(guān)系：從理論上沙峰后水位流量關(guān)系應(yīng)和清水時期水位流量關(guān)系相一致，但是還會出現(xiàn)個別點(diǎn)位偏大等原因，一是沙峰剛過時流速是逐漸減小的，相比清水時流速還是偏大的；二是因為落沙側(cè)也有小幅漲沙過程，擾亂了水位流量關(guān)系。

根據(jù)以上的原因分析，高含沙洪水的水位流量關(guān)系應(yīng)根據(jù)含沙量過程漲沙側(cè)和落沙側(cè)考慮分別定線：①漲沙側(cè)定線：漲沙側(cè)定線參考往年或者前期較近的漲沙側(cè)水位流量關(guān)系點(diǎn)位，找相似的情況，主要參考含沙量大小及其增速等，結(jié)合實(shí)測點(diǎn)，綜合定線。②落沙側(cè)定線：落沙側(cè)定線參考往年或者前期較近的落沙側(cè)水位流量關(guān)系點(diǎn)位或者清水時期的水位流量關(guān)系，結(jié)合實(shí)測點(diǎn)，綜合定線。

例如：如圖6 中2 號線是漲沙側(cè)最大線，66、67、68 是實(shí)測點(diǎn)，數(shù)據(jù)見表1。66、67是沙峰2前數(shù)據(jù)，68是沙峰2后數(shù)據(jù)，68和67 比較，水位高出約0.50 m，流量大了1.20%，流速小了22.70%。沙峰前后改變的主要是流速大小，這也是上述原因分析的結(jié)果。67 實(shí)測時間是7 月14 日6∶57，68 實(shí)測時間是15 日11∶36，按照常規(guī)水位流量參考實(shí)測點(diǎn)見圖7，參考2號線走勢。根據(jù)上述分析的原因，定線參考沙峰前后，沙峰2 出現(xiàn)的時間為7 月14 日10∶00，水位流量關(guān)系應(yīng)該分2 段，14 日10∶00 之前此段在沙峰前，水位流量關(guān)系可以參考2號線，14日10∶00之后參考沙峰1 后1 號線（見圖8）。68 是7 月15 日11:36 流量實(shí)測點(diǎn)，驗證了圖8的水位流量關(guān)系走勢。

圖7 參考實(shí)測點(diǎn)定水位流量關(guān)系圖

表1 沙峰前后數(shù)據(jù)對比表

圖8 參考沙峰前后定水位流量關(guān)系圖

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

含沙量大小不是影響水位流量關(guān)系的決定性因素；沙峰漲落過程是影響水位流量關(guān)系的重要因素之一，沙峰前流速增大較快，水位流量關(guān)系偏右，沙峰后影響流速因素減小，水位流量關(guān)系偏左；高含沙洪水時期，水位流量關(guān)系應(yīng)考慮沙峰前后分別定線。

6.2 建議

根據(jù)高含沙洪水的特點(diǎn)，提出以下建議：高含沙洪水期間，在線檢測主流流速的變化，提高測報精度；高含沙洪水期間，在線檢測主流含沙量的變化，確定沙峰前后分界，提高測報精度；分析往年資料，綜合考慮定線。