水位落差方法在遼東山區(qū)水文站懸移質(zhì)含沙量推算中的應(yīng)用

孫建軍

(遼寧省本溪山水文局，遼寧 本溪 117000)

河流懸移質(zhì)含沙量是水文站點測驗的主要項目，由于受到洪水漲落以及流量等綜合因素的影響，其測驗方式主要還是通過人工進行觀測，很難實現(xiàn)懸移質(zhì)含沙量的自動推求[1]。當(dāng)前，隨著遙測雨量和水位的逐步成熟，流量和含沙量的自動推求成為水文現(xiàn)代化規(guī)劃關(guān)注的重要測驗短板[2]。近些年來，對于河道流量自動測驗的研究逐步開展起來，取得不少研究成果[3- 7]，這其中非接觸高頻雷達、ADCP等先進儀器逐步被應(yīng)用，但由于這些儀器價格較高且操作步驟需要培訓(xùn)，全面應(yīng)用難度較大。針對流量自動測驗問題，一些長期工作與水文測驗的技術(shù)人員，結(jié)合流量與水位落差的變化規(guī)律，提出采用水位落差方法，通過此次洪水漲率來實現(xiàn)水位流量關(guān)系的計算，從而結(jié)合水位來推求流量，最早在長江流域得到應(yīng)用。多個應(yīng)用結(jié)果表明該方法在山區(qū)河流具有一定的適用性[8]。在采用水位落差方法實現(xiàn)流量自動推求的主導(dǎo)思想下，有研究學(xué)者將水位落差方法應(yīng)用到河流懸移質(zhì)含沙量推算中[9- 11]。在一些站點的應(yīng)用研究中，若果該站點懸移質(zhì)含沙量和水位變化具有較好的相關(guān)性，采用此種方法計算精度較高，但是在河道沖淤變化較大的河流，由于水位變化和含沙量之間的相關(guān)關(guān)系不好，采用該方法應(yīng)用精度不高。本溪地區(qū)位于遼寧的東部，屬于山區(qū)，區(qū)域河流洪水陡漲陡落變化，河流懸移質(zhì)含沙量與水位漲落變化具有較好的相關(guān)性，為此本文以本溪地區(qū)沙尖子水文站水文站點為實例，基于水位落差方法，結(jié)合水文站實測水文數(shù)據(jù)，建立懸移質(zhì)含沙量和水位落差之間的相關(guān)關(guān)系，利用該相關(guān)關(guān)系實現(xiàn)不同水位落差點下懸移質(zhì)含沙量的自動推求。

1 研究站點概況

沙尖子水文站位于桓仁縣沙尖子鎮(zhèn)金坑村，東經(jīng)125°31′，北緯40°58′，始建于1939年9月，集水面積14863km2，為大河重要國家基本水文站。泥沙測驗精度為二類。沙尖子水文站年含沙量一般在0.0～250.0g/m3之間。輸沙量是指在一定時段內(nèi)，通過斷面的懸移質(zhì)泥沙總量，它與含沙量和流量的大小密切相關(guān)。水文站年輸沙量一般在0.0～160萬t之間。

2 懸移質(zhì)含沙量測驗分析

2.1 測次的確定原則

水文站單樣含沙量的測定按照GB 50159—2015《河道水文泥沙測驗規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，要盡量對整個含沙量的過程分布進行測次的布設(shè)，并且滿足斷面含沙量日平均以及輸沙率分析的需求。沙尖子水文站站非汛期懸移質(zhì)含沙量較低，可以適當(dāng)減少含沙量的測驗次數(shù)。在洪水漲落過程中可結(jié)合洪水水位變化適當(dāng)增加含沙量的測驗次數(shù)。

2.2 含沙量與水位落差的分析結(jié)果

結(jié)合沙尖子水文站2001—2019年水位實測數(shù)據(jù)對水位落差進行計算，以時間為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為實測懸移質(zhì)含沙量和水位落差變化過程。沙尖子水文站懸移質(zhì)含沙量主要來源于上游，如圖1所示。

圖1 沙尖子水文站2017年懸移質(zhì)含沙量與對應(yīng)時段水位落差變化

沙尖子水文站懸移質(zhì)含沙量主要來自于南太子河上游流域，南太子河流域河流懸移質(zhì)含沙量對該站斷面影響程度較低。沙尖子站汛期7—8月水位陡漲陡落，懸移質(zhì)含沙量和水位落差關(guān)系較為穩(wěn)定，站點場次洪水水位落差增加時斷面懸移質(zhì)含沙量逐步呈現(xiàn)遞增趨勢。本文以沙尖子站2017年為例，對其懸移質(zhì)含沙量和水位落差的變化過程關(guān)系進行了分析，從圖中可看出，水位落差總體在0.1～0.5m之間，懸移質(zhì)含沙量的變幅在0.005～0.006kg/m3之間，斷面懸移質(zhì)含沙量隨著水位落差的變化總體較為穩(wěn)定，其中沙尖子站汛期7—8月懸移質(zhì)含沙量與水位落差的相關(guān)性要明顯好于非汛期。

2.3 含沙量與水位落差的相關(guān)分析結(jié)果

結(jié)合沙尖子站實測場次洪水的懸移質(zhì)含沙量和統(tǒng)計的水位落差數(shù)據(jù)，分析了兩者之間的相關(guān)性，如圖2所示。

圖2 沙尖子站水位落差和懸移質(zhì)含沙量的相關(guān)性分析結(jié)果

由圖2可知，水位在0.4～0.5m之間時，懸移質(zhì)含沙量最大值出現(xiàn)在7月下旬，汛期懸移質(zhì)含沙量最小值出現(xiàn)在7月上旬以及8月下旬，水位落差變化較小時，沙尖子站斷面懸移質(zhì)含沙量變化較大，懸移質(zhì)含沙量隨著水位落差變化而發(fā)生改變。汛期場次洪水水位落差和懸移質(zhì)含沙量按時間可以分為2個階段，第一個階段為7月1—20日，這一時間段水位落差低于0.3m時，懸移質(zhì)含沙量在趨勢線附近分布，含沙量在0.02kg/m3以下，這一段水位落差和懸移質(zhì)含沙量關(guān)系較為穩(wěn)定，趨勢線保持水平直線，當(dāng)水位落差高于0.3m時，該站懸移質(zhì)含沙量趨勢變化指數(shù)遞增，含沙量的變幅加大。第二個階段為7月20日—8月31日，這一階段主要進入河流主汛期，降水量增加，使得進入河流的水量和沙量都增加，水位落差變幅也逐步加大，當(dāng)水位落差變幅高于0.4時，該站斷面懸移質(zhì)含沙量變化指數(shù)呈拋物線遞增變化，逐步形成一個沙峰過程，沙尖子站測驗斷面懸移質(zhì)含沙量逐步位于趨勢線的上端，水位落差和懸移質(zhì)含沙量變化趨勢有一定的規(guī)律性。

2.4 測次誤差統(tǒng)計

對含沙量與水位落差的相關(guān)性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對沙尖子水文站年最大懸移含沙量以及平均含沙量進行誤差統(tǒng)計，結(jié)果見表1—2。

從沙尖子站不同懸移質(zhì)泥沙測驗方案下的誤差對比結(jié)果可分析，采用新的測驗方案后，其年尺度及日尺度含沙量及輸沙率與傳統(tǒng)測驗方案下的誤差均可在±20%以內(nèi)，個別年份由于上游來水來沙量較小，使得其水位落差變幅較為不穩(wěn)定，影響新測驗方案下的懸移質(zhì)含沙量的測驗精度，但總體精度均可達到水文測驗整編規(guī)范的誤差低于±25%要求，這主要是因為沙尖子位于山區(qū)河流，且上游河流來水來沙對斷面懸移質(zhì)含沙量影響較小，此外沙尖子站屬于渾江干流的控制站點，渾江屬于山區(qū)型河流，河道內(nèi)沖淤變化總體較小，水文站測驗斷面沖淤變化較小，使得其測驗斷面水位落差和懸移質(zhì)含沙量具有較好的穩(wěn)定關(guān)系。

2.5 精簡測次效果分析

對采用不同測驗方案下的本溪地區(qū)沙尖子站泥沙測驗次數(shù)進行對比分析，結(jié)果見表3。

表1 沙尖子水文站不同測驗方案年最大日平均輸沙率及最大斷面平均含沙量分析結(jié)果

表2 沙尖子水文站不同測驗方案年平均含沙量與平均輸沙率的變化

(續(xù)表)

表3 沙尖子水文站不同測驗方案下的測驗次數(shù)分析結(jié)果

從對比分析結(jié)果，采用新泥沙測驗方案下，沙尖子站全年懸移質(zhì)泥沙測驗次數(shù)較傳統(tǒng)方案明顯減少，相比于傳統(tǒng)測驗方案，測驗精簡次數(shù)比例在55%以上，該站點傳統(tǒng)懸移質(zhì)泥沙測驗方案下全年測驗次數(shù)在52～96次，尤其是在發(fā)生場次洪水過程中，為分析沙峰變化，需要加密觀測次數(shù)。采用新的測驗方案后，在汛期前對水位落差與懸移質(zhì)含沙量分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合水位觀測數(shù)據(jù)，就可以對斷面懸移質(zhì)泥沙量進行推算，從而精簡站點懸移質(zhì)泥沙測驗的次數(shù)。采用新的測驗方案的有點在于可解決傳統(tǒng)懸移質(zhì)泥沙測驗方式下泥沙測驗采樣較為盲目，場次洪水沙峰過程難以把控的局限，降低水文站點測驗人員的勞動強度，提高測驗時效性。

3 結(jié)語

本文通過水位落差方法，建立水文站懸移質(zhì)含沙量和水位落差之間的相關(guān)關(guān)系，實現(xiàn)不同水位落差點下懸移質(zhì)含沙量的自動推求。相比于傳統(tǒng)測驗方案，該方式可將沙尖子站懸移質(zhì)泥沙測驗精簡次數(shù)比例達55%以上，總體精度可滿足水文測驗整編規(guī)范誤差低于±25%要求。該方式適用于沖淤變化較小的山區(qū)型河流，對于斷面沖淤變化較大的斷面，由于很難保證水位落差和懸移質(zhì)泥沙之間的穩(wěn)定關(guān)系，測驗誤差較大。此外，在洪水高水期由于水位落差變幅較大，建議還需結(jié)合人工測驗方式進行加密觀測，從而保證沙峰過程的準(zhǔn)確觀測。