青泥灣水文站輸沙率要素的間測(cè)分析

樊軍文

（商洛水文水資源勘測(cè)中心,陜西 商洛 726000）

水文巡測(cè)是傳統(tǒng)水文走向現(xiàn)代化水文的重要標(biāo)志,是水文發(fā)展的方向。《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL 195-2015）對(duì)水文站的流量、泥沙等項(xiàng)目實(shí)行巡測(cè)規(guī)定了條件,只要滿足規(guī)范要求就可以開展巡測(cè)、間測(cè)工作?！端默F(xiàn)代化建設(shè)規(guī)劃》《水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)十四五規(guī)劃》明確提出大力推進(jìn)駐測(cè)、巡測(cè)步伐,提升水文測(cè)報(bào)現(xiàn)代化。開展對(duì)水文站測(cè)驗(yàn)要素的精度分析,為開展巡測(cè)、減輕工作強(qiáng)度打好基礎(chǔ)。故本文對(duì)青泥灣水文站的泥沙要素測(cè)驗(yàn)進(jìn)行分析。

1 概況

青泥灣水文站位于陜西省鎮(zhèn)安縣永樂鎮(zhèn)的乾佑河,控制河長50.9 km,距河口距離59.8 km,控制流域面積1369 km2,設(shè)立于1959 年1 月,受水電站削峰和引水發(fā)電綜合影響,2003 年1 月斷面上遷1870 m。監(jiān)測(cè)要素有水位、流量、泥沙、泥顆、降水量、蒸發(fā)、水質(zhì)等。

從1959 年～2022 年已積累水文資料64 站年。其中斷面上遷后積累泥沙資料12 年。新址斷面受下游400 m 攔水壩控制,河床穩(wěn)定,無分流、分汊,洪水期主流也基本穩(wěn)定。

乾佑河發(fā)源于秦嶺山脈終南山主峰南麓,經(jīng)柞水、鎮(zhèn)安、在安康市旬陽市小河鎮(zhèn)兩河關(guān)村匯入旬河。乾佑河屬漢江水系,是漢江二級(jí)支流,全長148.3 km,流域面積2504.8 km2。流域發(fā)育較對(duì)稱,呈樹葉形狀。

2 水沙特性

二十世紀(jì)六七十年代由于林木砍伐過度,造成乾佑河流域水土流失嚴(yán)重,含沙較大,其中1970 年出現(xiàn)最大含沙量310 kg/m3,1966年出現(xiàn)次大含沙量為287 kg/m3。九十年代以后,國家實(shí)行退耕還林政策,特別是2007 年《陜西省秦嶺生態(tài)保護(hù)條例》頒布以后以及貫徹“習(xí)近平總書記提出的綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展思想以來,流域植被越來越好,生態(tài)保護(hù)成效顯著,河道泥沙逐漸減少,年輸沙量也逐漸趨于穩(wěn)定。2003 年斷面上遷以來,2005 年8 月15 日發(fā)生建站以來第四大洪水,洪峰流量達(dá)1080 m3/s,實(shí)測(cè)最大含沙量為25 kg/m3,較六、七十年代含沙量顯著減少。

從雨洪規(guī)律分析,暴雨產(chǎn)生的洪水強(qiáng)烈侵蝕流域面上的土壤,形成高含沙洪水,年最大沙峰一般出現(xiàn)在汛期第一場(chǎng)洪水,出現(xiàn)洪峰流量越大含沙量相對(duì)也越大,水沙特性基本一致,暴雨洪水是決定河水含沙量大小的主要因素。隨著流域內(nèi)植被的恢復(fù)、生態(tài)的修復(fù),含沙量逐年下降,近10 多年含沙量未超出30 kg/m3。

3 懸移質(zhì)輸沙測(cè)驗(yàn)方法、歷年單斷沙關(guān)系

青泥灣水文站設(shè)立之年開始進(jìn)行懸移質(zhì)單沙、斷沙要素監(jiān)測(cè),1959 年～1992 年在原斷面測(cè)取泥沙,2003 年開始至今在上遷的斷面監(jiān)測(cè)。其中,2006 年～2010 年受高速路工程建設(shè)影響泥沙停測(cè),2011 年恢復(fù)泥沙測(cè)驗(yàn)。截止2022 年已連續(xù)泥沙測(cè)驗(yàn)12 站年。

單斷沙關(guān)系線基本上呈現(xiàn)45°線。個(gè)別年份,因漲水次數(shù)少,輸沙測(cè)次不夠,采用近似法（按45°線）進(jìn)行資料整編。

4 分析思路

泥沙測(cè)驗(yàn)實(shí)行駐測(cè)、巡測(cè)、間測(cè)、停測(cè),要通過分析確定。青泥灣水文站為駐守站,為減輕工作強(qiáng)度,通過分析,對(duì)泥沙測(cè)驗(yàn)進(jìn)行間測(cè)。間測(cè)是指水文測(cè)站資料經(jīng)分析證明水文要素間歷年關(guān)系穩(wěn)定或其變化在允許誤差范圍內(nèi),對(duì)其中一要素停測(cè)一段時(shí)期后,再行施測(cè)的測(cè)停相間的測(cè)驗(yàn)方式。

《河道懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB/T 50159-2015）第8.1.4條：二、三類站當(dāng)有5 年～10 年以上資料證明,實(shí)測(cè)斷面平均含沙量變幅占?xì)v年變幅70%以上,水位變幅占?xì)v年水位變幅80%以上時(shí),可實(shí)行間測(cè)。

《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL 195-2015）第4.2.7 條：各類泥沙站各年的單沙斷沙關(guān)系線與歷年（5 年～10 年或10 年以上）單沙斷沙綜合關(guān)系線相比較,如果各年關(guān)系線偏離綜合線在最大值均在±5%以內(nèi),則測(cè)站的懸移質(zhì)輸沙率可實(shí)行間測(cè)。

依據(jù)《規(guī)范》對(duì)青泥灣水文站近12 年以來實(shí)測(cè)單沙、斷沙關(guān)系,分析含沙量變幅和水位變幅,分析歷年單沙斷沙關(guān)系偏離綜合線誤差,如果滿足規(guī)范規(guī)定,則可以實(shí)行間測(cè)。

5 單斷沙關(guān)系分析

5.1 資料選取

選取2011 年～2022 年青泥灣水文站12 年實(shí)測(cè)單斷沙116 次。輸沙率測(cè)驗(yàn)方法為斷面均勻布設(shè)垂線,垂線取沙為積深法,單沙位置固定,取樣方法一致。

5.2 沙量、水位變幅分析

實(shí)測(cè)斷面平均含沙量變幅和歷年含沙量變幅、實(shí)測(cè)水位變幅和歷年水位變幅的關(guān)系見表1、表2。

表1 懸移質(zhì)輸沙率的沙量變幅分析

表2 水位變幅分析

實(shí)測(cè)最大含沙量發(fā)生在2005 年,為25 kg/m3；2014 年發(fā)生次大含沙量,為18.4 kg/m3。含沙量變幅為73.6%,2005 年最高水位556.20 m,最大流量1080 m3/s；最低水位552.22 m。水位變幅為87.6%。

從表1、表2 中可以看出懸移質(zhì)輸沙率的沙幅占?xì)v年沙幅的73.6%大于《河道懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定的70%,水位變幅占?xì)v年水位變幅87.6%大于《河道懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定的80%,符合《河道懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB/T 50159-2015）第8.1.4 條第一款之規(guī)定。

5.3 歷年綜合單斷沙關(guān)系線分析

將青泥灣站2011 年～2022 年的單斷沙實(shí)測(cè)成果點(diǎn)繪在一張圖上,繪制綜合單沙與斷沙關(guān)系圖。2011 年～2022 年共實(shí)測(cè)116 次,繪制綜合關(guān)系線。點(diǎn)子基本均勻分布在45°線兩邊,見圖1。經(jīng)對(duì)比,相對(duì)誤差均沒有超過10%,最大相對(duì)誤差9.3%只有一次,其余均不超過5%,最小相對(duì)誤差為0。116 個(gè)測(cè)點(diǎn)沒有超過15%外包線,符合《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）第5.3.7 條的中高沙不應(yīng)超過±10%、低沙不應(yīng)超過±15%的定線要求。

圖1 青泥灣水文站單斷沙關(guān)系圖

把116 個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)資料進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì),取平均值,點(diǎn)繪單斷沙關(guān)系圖,關(guān)系圖正好接近于45°線,斜率y=0.9983x。

5.4 歷年關(guān)系線對(duì)照分析

圖2 歷年單斷沙關(guān)系曲線

圖3 2014 年單斷沙關(guān)系曲線

圖4 2016 年單斷沙關(guān)系曲線

圖5 2017 年單斷沙關(guān)系曲線

圖6 2018 年單斷沙關(guān)系曲線

圖7 2019 年單斷沙關(guān)系曲線

圖8 2020 年單斷沙關(guān)系曲線

圖9 2021 年單斷沙關(guān)系曲線

圖10 2022 年單斷沙關(guān)系曲線

表3 各年單斷沙關(guān)系線斜率表

從2014 年～2022 年單斷沙關(guān)系圖分析看,回歸方程斜率K基本等于1,誤差不超過0.05。

6 分析結(jié)果

經(jīng)對(duì)青泥灣水文站2011 年～2022 年12 站年單斷沙關(guān)系分析,實(shí)測(cè)輸沙率的沙量變幅占?xì)v年變幅70%以上,水位變幅占?xì)v年水位變幅80%以上,關(guān)系呈45°單一線,符合《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB/T 50159）第8.1.4 條第1 款泥沙實(shí)行間測(cè)的要求；歷年單斷沙綜合關(guān)系線相比較,偏離綜合線的最大均值在±5%以內(nèi),符合《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL 195-2015）第4.2.7 條第c 款,輸沙率可實(shí)行間測(cè)的要求；2014 年～2022 年單斷沙關(guān)系圖回歸方程斜率K基本等于1,誤差不超過5%,說明單-斷沙關(guān)系穩(wěn)定為45°線,符合《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）第6.7.3 條定單一線的規(guī)定。

由此得出青泥灣站輸沙率測(cè)驗(yàn)可實(shí)行間測(cè)（即停測(cè)一段時(shí)期）的結(jié)論。

7 結(jié)語

通過分析青泥灣水文站泥沙測(cè)驗(yàn)要素,輸沙率停測(cè)一段時(shí)期,很大程度減輕了水文站的工作強(qiáng)度,為下一步開展巡測(cè)、編制巡測(cè)方案提供了支撐依據(jù),為提升水文巡測(cè)能力奠定基礎(chǔ)。通過此舉分析說明水文要素監(jiān)測(cè)有規(guī)律可循,只要善于動(dòng)手,善于思考,充分運(yùn)用好《規(guī)范》,就能出成果,簡化了工作要求,減輕了工作強(qiáng)度,騰出更多的資源和人力在更多河流和區(qū)域開展水文監(jiān)測(cè),積累更多豐富的水文資料,為防汛抗旱、水資源管理、生態(tài)保護(hù)方面當(dāng)好耳目、前哨和參謀。