胡偉
(湖南省衡陽水文水資源勘測中心,湖南 衡陽 421001)
河流上游向下游持續(xù)輸送泥沙所造成的后果,主要是河床高度上升,若不盡快解決該問題,將給泥沙所具有輸出能力產生不良影響,甚至會導致河水泛濫,久而久之,不僅會致使水庫容積大幅減少,還會使河床建筑物性能受到損害。為避免上述情況出現(xiàn),各國學者紛紛選擇對流沙問題成因進行研究。
本次所觀測流域為洣水流域(圖1),該流域位于東經 112°51′~114°00′、北緯 26°15′~27°10′,發(fā)源地為油榨嶺,途經河漠水、攸水和茶水等多個支流,最終注入湘江。該河流域的全長為297km,實測流域面積為10327km2,坡降平均值在1.02‰左右。
圖1 觀測現(xiàn)場
洣水流域位于湘東丘陵地區(qū),整體地勢為西北低、東南高,平均海拔高度為50~200m。上游降水充沛且植被良好,擁有豐富的水資源,下游地勢較為平坦。由于洣水流域是典型的亞熱帶季風氣候,降雨多集中在4—7 月,地域分配具有上游多下游少的特點,強降雨歷時以1d較為常見。該流域洪水多由強降雨形成,其時空變化特征和強降雨特征相同,4—9 月是汛期,其中,4—7 月是洪水高發(fā)期。該流域干流及支流均建有水利水電工程,隨著工程投入運行,河道水量變得更加均衡,其中,給衡東站測驗產生較大影響的工程為洋塘河壩、甘溪水電站。
衡東水文站的坐標為東經112°56′22.4″,北緯27°05′46.9″,測驗項目包括水質監(jiān)測、水位和泥沙等。該站洪水多由降水產生,呈現(xiàn)形式以單峰型為主,具有峰型肥胖、漲落平緩的特點[1]。自主峰雨停止到洪峰形成,通常需要等待20h,洪峰可維持2~3h,沙峰可維持2h 左右,大型洪水可維持約7d。湘江和本流域均出現(xiàn)洪水時,回水頂將被托至監(jiān)測斷面,考慮到該站極易受到湘江回水頂托以及下游河壩影響,有關人員決定對測驗斷面位置進行搬遷。搬遷后測驗斷面的水文特征值見表 1、表 2。
表1 衡東水文站歷年特征值
表2 衡東水文站多年平均值
測驗河段的順直長度在800m 左右,河床寬度約為350m,屬于典型的收縮河段。左岸是山丘,右岸是衡東防洪堤,該防洪堤的高程為56.9m。河心存在一沙洲,在低水、中水情況下,沙洲將該河段的河道分為兩部分,當河段水位達到53m 時,沙洲將被河水淹沒。主航道位于左股水流的250m 處,衡東大橋位于斷面上游約2km處,下游2km 附近存在一彎道,即為該觀測站的控制斷面。甘溪河壩位于該河段上游約13.5km 處,該河壩裝有17 孔弧型閘門,同時具有放電發(fā)水的功能,極易給本站水位產生影響。下游9km 為洋塘河壩,若水位未達到47.8m,回水托頂將給水位流量產生巨大影響,布設測驗點的難度隨之增加。
觀測所用設備應當具備以下4 項功能:①可對水面至河床間的水流進行取樣,同時對樣品中所含泥沙進行分離。②可在少量水流中對研究所需樣品進行平穩(wěn)取樣。③可準確把握取樣點附近泥沙粒徑、泥沙量與時間的關系。④可對河段斷面水流進行取樣,并且保證取樣點位于水流的中心[1]。另外,要想保證收集設備可發(fā)揮出應有作用,還應重視以下兩方面內容:①保證對流量進行觀測的過程中,收集所用設備不會出現(xiàn)任何機械故障。②取樣所用吊桶形狀符合要求,既能夠被用來對水面進行取樣,同時也能夠在河床上進行取樣[2]。觀測設備如圖2 所示。
圖2 觀測設備
出于對泥沙實際情況進行準確了解的考慮,有關人員指出應在連續(xù)漲水期間進行取樣,同時在落水時、最大時刻進行取樣。通過實地勘測的方式,對河水渾濁程度、漲落程度進行確認,根據(jù)氣象雷達針對短時降雨所做出預測,對取樣的時機和兩次取樣工作的間隔加以確定。除特殊情況外,均應將相鄰兩次觀測工作的間隔定為1h,每次需要連續(xù)觀測約7h,保證觀測所獲得數(shù)據(jù)具有實際意義。一旦出現(xiàn)河水渾濁或是流量激增的情況,可酌情增加觀測次數(shù),以免出現(xiàn)觀測工作無法如實反映河流情況的問題[3]。
3.2.1 測算步驟
對采集所得樣品進行分離,獲得相應的水樣品和泥沙樣品。將取樣所得泥沙進行分層,一般可將其分成兩層,下層是沉降區(qū),上層是渾濁區(qū),將渾濁區(qū)水樣轉移到其他容器中,保證轉移水樣的體積在1.5L 左右,利用所轉移水樣對懸移質數(shù)量進行測算。
3.2.2 測算項目
本研究所測定項目主要包括以下幾類:當?shù)亟涤炅浚恿魉患皩挾?,河水流速,采樣體積和質量,分離所得樣品的水質,樣品泥沙質量。取樣的過程中對溢洪道當前水文條件進行分析,在取樣所用吊桶上游安裝水位測定儀,借助超聲波水位計對實際水位進行準確測定。利用吊桶上游所設置浮子對河水流速進行測定。通過目測的方式,確定水流大致寬度。直接對樣品水流量、泥沙量進行稱重,根據(jù)大罐內部各方位所標注刻度對體積進行計算。在完成分離樣品的工作后,分別對樣品泥沙質量和水質量加以確定,根據(jù)計算所得出數(shù)據(jù),對泥沙粒度的分布情況進行明確。
對河流泥沙進行測定的切入點,主要涉及以下兩個方面。
(1)泥沙粒徑。若以粒徑大小為依據(jù),可將常見泥沙顆粒劃分成粘粒和卵石等幾大類,大粒徑泥沙往往需要跟隨水流在河床的底部滾動或是滑動,小粒徑泥沙則能夠在水流所形成擴散作用的影響下,持續(xù)懸浮在水體中部或上部,通常被用來對水體污染物進行吸附。對泥沙粒徑進行測量的方法較多,其中,使用頻率較高的方法為超聲測量,簡單來說,就是根據(jù)不同介質中聲波所形成聲能衰減和顆粒所具有散射特性,對其濃度和實際力度進行測量??紤]到超聲頻率所對應頻帶往往較寬,可被用來對毫米顆粒、納米顆粒進行測量,同時聲波具有極強的傳統(tǒng)率,在對濃度較高的顆粒進行測量方面,通常能夠具有較其他方法更加突出的表現(xiàn),即使不對樣品進行稀釋,也可獲得真實且準確的結論。
(2)含沙量。單位體積樣品所包含泥沙總量即為含沙量,一般來說,河流實際含沙量與檢測時間密切相關,汛期的含沙量較其他時間更大,若河流處于枯水期,則其含沙量普遍低于平均值。在有洪水發(fā)生時,觀測所得含沙量最大值極為沙峰,這里需要注意一點,即洪峰和沙峰間并不存在直接關聯(lián)。目前,測量泥沙濃度的技術已趨于成熟,其中,最具代表性的技術為超聲波測量。
若觀測流域存在滑坡地,則較易由于降雨而引起滑坡問題,導致泥沙量激增,進而使下游河水變得更加渾濁。為避免河水渾濁度給觀測工作造成不利影響,有關人員決定以滑坡地實際面積為依據(jù),在下游適當位置增設濁度計,用來對河水渾濁程度進行分析,如圖3、圖4 所示。
圖3 2019 年 7 月 9 號洪水
圖4 衡東水文站輔助斷面大斷面圖
有關人員選擇在臺風季節(jié)進行取樣,并將取樣點設置在溢洪道斷面??紤]到溢洪道取樣難度較大,僅能通過預估的方式對河流泥沙量、流量加以確定。在不更改吊桶流入狀態(tài)的前提下,對樣品沉降區(qū)、渾濁區(qū)所包含泥沙的質量濃度進行計算。在堆積沙面對河床坡度進行測量所得數(shù)據(jù)是1/15,對應懸移質粒徑在2~9mm之間,若泥沙質量濃度達到最大,粒徑最大值可達到300mm。在觀測過程中,當?shù)爻霈F(xiàn)強降雨的概率在45%左右。
通過對過去兩年間當?shù)亟涤炅孔顬槌渑鏁r的河水進行取樣并分析,結果表明,泥沙、流量間存在著極為緊密的聯(lián)系,并且二者的關系為正相關,其中,泥沙均處于10-7~1,而流量處于10-1~10(2可劃分出3 個等級)。由此可見,每增加1 個流量等級,對應泥沙量可增加3 個等級或4 個等級。另外,對泥沙量進行分析可知,懸移質沖刷量的占比極大,通??蛇_到80%,特殊情況下,其占比可能減少到50%,但通常不會達到100%。
對本次觀測的河流而言,懸移質沖刷量在泥沙總流量中的占比較大,通??蛇_到約80%。通過觀測可知,該河流的流量處于10-1m3/s~10m3/s,對比其他河流觀測所得出數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn),該河流懸移質量較其他河流略大。未來應加大對大洪水泥沙量進行觀測的力度,結合其他機構所提供數(shù)據(jù)展開評價,使觀測工作所具有價值得到充分發(fā)揮。