河流泥沙流量觀測分析

胡偉

（湖南省衡陽水文水資源勘測中心，湖南 衡陽 421001）

0 引言

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(chǎn)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。

1 觀測現(xiàn)場情況

1.1 流域概況

本次所觀測流域為洣水流域（圖1），該流域位于東經(jīng) 112°51′~114°00′、北緯 26°15′~27°10′，發(fā)源地為油榨嶺，途經(jīng)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(chǎn)生較大影響的工程為洋塘河壩、甘溪水電站。

1.2 測站概況

衡東水文站的坐標為東經(jīng)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(chǎn)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

1.3 測驗河段和斷面情況

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(chǎn)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(chǎn)生巨大影響，布設測驗點的難度隨之增加。

2 觀測設備

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

3 觀測方法

3.1 獲取樣品

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 測算樣品

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。

3.3 泥沙觀測要點

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

4 觀測結果分析

4.1 觀測所得數(shù)據(jù)

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。考慮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。

4.2 泥沙和流量的比值

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%。

5 結語

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。