呼圖壁河石門水文站測次精簡分析

張元杰

(昌吉水文勘測局,新疆 昌吉 831100)

使用方面工作。

0 引言

石門水文站是新疆呼圖壁河流域的代表站,自建站以來,水文站承擔了呼圖壁河水位、流量、泥沙等觀測項目,為掌握流域水量、水質(zhì)動態(tài)變化和流域水資源評價、區(qū)域水文特征和水文規(guī)律研究積累了長系列水文基礎資料[1]。本文通過對石門水文站觀測項目測次和實施時機的精簡分析,提出在達到在滿足流量測驗和推算徑流量精度原則下,可以科學合理地減少水文站測次,優(yōu)化測驗方法及方式,能極大減輕測站人員工作任務,提高測報工作效率。

1 石門水文站概況

1.1 測站布設位置

呼圖壁河是天山北坡中段第二大河流,河道總長度176 km。石門水文站為呼圖壁河區(qū)域代表水文站,屬省級重要水文站,始建于1977年4月,距昌吉市125 km,地理坐標為東經(jīng)86°34′、北緯 43°45′,水文站以上集水面積 1 840 km2,河長 91 km,測站高程1 480 m[2]。

1.2 觀測項目

石門水文站觀測項目見表1所示。其測驗精度按照類別屬于二類的為流量和泥沙觀測。

表1 石門水文站觀測項目

1.3 測站設施情況

水文站的主要水文設施及設備有:雙纜電動纜車、基本水尺、上下比降水尺、主索、副索及纜道[3]。

2 石門水文站測驗斷面狀況分析

石門水文站河床由砂礫石、卵石組成,兩岸為砂礫石,河床比較固定。測驗河段較順直,長約200 m,無岔流、串溝、逆流、回水、死水等情況?？菟?起點距8～18 m左右處出現(xiàn)漫灘,測驗斷面河流分為兩股水,兩股水流存在橫比降,水位不具有代表性,但不影響流量測驗。河床為砂、礫石組成,無水生植物,沖淤變化較小?；緮嗝嫦掠?50 m處有急灣作為控制,水位流量關系較穩(wěn)定?；緮嗝孀蟀稙閹r石峭壁,右岸為巖石和沉積戈壁砂石混合而成,約為40°陡坡,坡上長有楊樹?；緮嗝嫔嫌?.45 km處有支流白楊溝自左岸匯入,白楊溝口建有小型水電站一座,由于來水量較小,對流量無影響。基本斷面上游1.06 km處建有攔河中型(達拉拜)水電站一座。由于該電站在枯水期以及冰期頻繁啟、閉閘門,蓄水發(fā)電,造成測驗斷面水位人為的有一定規(guī)律的陡長陡落以及產(chǎn)生大量冰塞或冰壩,影響測流,所以在冰期選擇臨時斷面(基上200 m、250 m、350 m)測流;且每年秋季該電站排沙對測驗河段沖淤變化有一定影響。當石門水文站發(fā)生較大洪水時,漂浮物較多,對測驗有一定影響。

沖淤變化主要因上游泥沙隨洪水淤積沖散。點繪2014-2018年大斷面圖,見圖1。從圖1上可以看出,河槽變化不劇烈,河寬變化不大,非汛期主流在左岸,右岸為灘地,斷面為復式斷面。

圖1 石門水文站2014-2018年大斷面圖

3 石門水文站測次精簡分析

3.1 測次調(diào)整方案

石門水文站冬季結冰封凍,且冬季要報水情,所以對冬季1-3月、10-12月的流量測次不作調(diào)整,結合實際情況,主要對4-9月的測驗項目進行測次調(diào)整。原有的觀測項目及頻次為流量測次:全年65次;懸移質(zhì)單沙測次:221次;懸移質(zhì)輸沙率測次:全年19次(見表2)。提出的新的精減測次方案為流量測次:全年47次;懸移質(zhì)單沙測次:148次;懸移質(zhì)輸沙率測次:全年14次,詳如表3所示。

表2 石門站水文測驗項目原測次年內(nèi)分配表

表3 石門站水文測驗項目精簡后新的測次年內(nèi)分配表

3.2 測次精簡依據(jù)分析

3.2.1 流量觀測項目

每年自然界河道來水在時空分布上的隨機性,決定了石門水文站流量測驗次數(shù)的不同,一年中的測流次數(shù),應根據(jù)高、中、低各級水位的水流特性、測站控制條件、測驗精度、定線推流的要求,以及需求等綜合確定,能夠掌握各個時期的水情變化,合理地分布于各級水位和水情變化過程的轉折點。當發(fā)生洪水、枯水超出歷年實測流量的相應水位時,應對超出部分增加測次。點繪2014-2018年水位流量關系見圖2。高水部分,根據(jù)本站測驗設備狀況,流量超過150 m3/s以上,都采用中泓浮標測驗方法,因呼圖壁河洪水歷時較短,故高水流量測次較少。從圖2中可以看出,中高水部分年際變化不大,主要在沖和淤兩條線上來回擺動,說明河槽沖淤變化比較有規(guī)律。此階段測驗狀況相對復雜,既要施測到每個洪水過程,又要考慮河槽的沖淤變化。應視情況增加測次,來控制水位流量關系線的變化。石門站1977年建站以來,河槽沖淤變化頻繁,河水主流左右擺動。斷面年內(nèi)沖淤變化大,故臨時曲線較多,為了控制流量的變化過程,近幾年來,石門站平均每年實測流量測次為65次以上。

圖2 石門站2014年-2018年水位流量關系圖

根據(jù)資料統(tǒng)計,石門水文站,歷年水位變幅為8.24～9.87 m,歷年平均水位變幅為1.41 m。根據(jù)定線經(jīng)驗,汛期測驗以0.05 m一個施測流量點為流量控制點,可以滿足日平均流量計算、各項特征值統(tǒng)計、水文資料整編和水情拍報的要求,流量測次可控制在47次以上,即可滿足臨時曲線推流的要求。但還要根據(jù)水情變化情況適當增加測次。本次采用2014-2018年共5 a的水文資料,將每年的實測流量根據(jù)低估水及中高水按水位高低排序,根據(jù)本站年徑流量的季節(jié)變化過程情況、流量級的劃分及定線要求,在低枯水時,水位變幅在2～5 cm時隨機選取測次,中高水水位變幅在5～10 cm時隨機選取測次,選取時年最高及最低流量測次必須選取,分析計算出精簡測次后的年水量總量,然后按《水文巡測規(guī)范》相關誤差指標規(guī)定進行比較。精減后的水位～流量關系曲線圖見圖3～圖10。從石門水文站多年水位流量變化過程來看,低水位以下,水流平穩(wěn),流量變幅不大,水位流量關系良好,測次可酌情減少。在發(fā)生洪水、枯水超出歷年實測流量的水位時,對超出部分增加流量測次。

圖3 石門站2014年2線精減后水位流量關系曲線圖

圖5 石門站2015年3線精減后水位流量關系曲線圖

圖7 石門站2016年8線精減后水位流量關系曲線圖

圖9 石門站2017年4線精減后水位流量關系曲線圖

通過計算分析,各年的年總水量誤差符合《水文巡測規(guī)范》相關規(guī)定。經(jīng)精簡分析后,低枯水時水位變幅在2～5 cm時施測流量一次,中高水時水位變幅在10～20 cm時施測流量一次,全年4-9月施測流量不少于30次,并且要滿足定線要求。

綜上所述分析,根據(jù)規(guī)范的要求、高洪測驗和年頭年尾流量的銜接,確定本站年內(nèi)流量測驗最少測次為47次(見表3),在遇特殊年份時,總測次可在此基礎上適當增減。

3.2.2 懸移質(zhì)泥沙觀測項目

石門站根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》(GB 50159-92)的規(guī)定,確定本站為泥沙二類站。點繪歷年日平均輸沙率過程線圖,見圖11。由圖可見,泥沙輸沙率在年內(nèi)分配極不均勻。造成這種結果的原因是,流域下墊面水蝕輸泥沙和河水侵蝕河槽泥沙為主,春季的融雪和夏季的降水都是泥沙含量大的原因,年內(nèi)降水量較多時,輸沙率也大,徑流量大,相應的輸沙率也大,由于從4月份開始,泥沙隨氣溫的回升以及暴雨洪水的出現(xiàn),輸沙率呈逐漸遞增趨勢,最大輸沙率一般出現(xiàn)在6月-8月,此后,輸沙率逐漸呈遞減趨勢。同樣,含沙量分布極不均勻,一般10月-次年3月,河水的含沙量為零,所以,輸沙率及單樣測次應偏重于6-8月。

圖11 石門站2014-2018年日平均輸沙率圖

單樣含沙量的測驗次數(shù)應能控制含沙量變化過程。本站屬于一日一峰型,單沙每日8時、20時取樣兩次,洪水期每次較大洪水不少于5次,含沙量的變化急劇時,在沙峰的起漲、峰頂和落平等轉折處均分布測次;洪峰重疊、水沙峰不一致時增加測次;平水期,在水位定時觀測時取樣一次,非汛期含沙量變化平緩時,可每5日取樣一次?？菟诤铀宄阂姷讜r,單樣水樣按規(guī)定停測,按零處理。本站全年懸移質(zhì)單沙測次確定為148次(見表3)。

將2014-2018年單斷沙關系定綜合線見圖12,其單斷沙綜合系數(shù)為1.000 0,其標準差為6.3、隨機不確定度為12.6、系統(tǒng)誤差為0.9,符合規(guī)范要求。從圖11、圖12可以看出每年最大輸沙率出現(xiàn)在6-8月,近五年施測輸沙率61份,其中20 kg/m3的輸沙率測點5份,因此對輸沙率測次進行調(diào)整,減少枯水期測次,仍然可以滿足資料整編要求,同時還減輕了測站人員工作任務。

綜上所示根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》(GB 50159-92)的規(guī)定,一年內(nèi)懸移質(zhì)輸沙率的測次,以能準確定出推算輸沙率用的關系曲線為原則。本站自建站以來,一直采用橫式采樣器法采取單位水樣及施測輸沙率。根據(jù)上述分析及本站的實際情況,確定輸沙率的年測次為14次(見表3)。

4 結語

綜上分析,通過對石門水文站觀測項目測次和實施時機的精簡分析可知,石門水文站可在對流量、單位水樣、輸沙率進行精簡測次,其不影響水文測驗最終成果。遇到特殊年份時,總測次可在此基礎上,適當增減。遠期水文站應構建“駐巡結合、應急補充”的水文測報監(jiān)測體系,不斷推進水文觀測自動化和水文監(jiān)測新技術應用,節(jié)約人力,降低成本,提高勞動生產(chǎn)率,擴大水文資料收集面,發(fā)揮水文大數(shù)據(jù)時效性、應急性效應,為社會提供精準水文基礎服務。