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(diǎn)測驗(yàn)的主要項(xiàng)目，由于受到洪水漲落以及流量等綜合因素的影響，其測驗(yàn)方式主要還是通過人工進(jìn)行觀測，很難實(shí)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(yàn)短板[2]。近些年來，對于河道流量自動測驗(yàn)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(dá)、ADCP等先進(jìn)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(yàn)問題，一些長期工作與水文測驗(yàn)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(shí)現(xiàn)水位流量關(guān)系的計(jì)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(shí)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(diǎn)的應(yīng)用研究中，若果該站點(diǎn)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(jì)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(diǎn)為實(shí)例，基于水位落差方法，結(jié)合水文站實(shí)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(shí)現(xiàn)不同水位落差點(diǎn)下懸移質(zhì)含沙量的自動推求。

1 研究站點(diǎn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，要盡量對整個含沙量的過程分布進(jìn)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(yàn)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(yàn)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(shí)測數(shù)據(jù)對水位落差進(jìn)行計(jì)算，以時間為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為實(shí)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(diǎn)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(jìn)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(shí)測場次洪水的懸移質(zhì)含沙量和統(tǒng)計(jì)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(jìn)入河流主汛期，降水量增加，使得進(jìn)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(yàn)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(jì)

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(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1—2。

從沙尖子站不同懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)方案下的誤差對比結(jié)果可分析，采用新的測驗(yàn)方案后，其年尺度及日尺度含沙量及輸沙率與傳統(tǒng)測驗(yàn)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(yàn)方案下的懸移質(zhì)含沙量的測驗(yàn)精度，但總體精度均可達(dá)到水文測驗(yàn)整編規(guī)范的誤差低于±25%要求，這主要是因?yàn)樯臣庾游挥谏絽^(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(diǎn)，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(yàn)斷面沖淤變化較小，使得其測驗(yàn)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(yàn)方案下的本溪地區(qū)沙尖子站泥沙測驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表3。

表1 沙尖子水文站不同測驗(yàn)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(yàn)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(yàn)方案下的測驗(yàn)次數(shù)分析結(jié)果

從對比分析結(jié)果，采用新泥沙測驗(yàn)方案下，沙尖子站全年懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)次數(shù)較傳統(tǒng)方案明顯減少，相比于傳統(tǒng)測驗(yàn)方案，測驗(yàn)精簡次數(shù)比例在55%以上，該站點(diǎn)傳統(tǒng)懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)方案下全年測驗(yàn)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(yàn)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(jìn)行推算，從而精簡站點(diǎn)懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)的次數(shù)。采用新的測驗(yàn)方案的有點(diǎn)在于可解決傳統(tǒng)懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)方式下泥沙測驗(yàn)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(diǎn)測驗(yàn)人員的勞動強(qiáng)度，提高測驗(yàn)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(shí)現(xiàn)不同水位落差點(diǎn)下懸移質(zhì)含沙量的自動推求。相比于傳統(tǒng)測驗(yàn)方案，該方式可將沙尖子站懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)精簡次數(shù)比例達(dá)55%以上，總體精度可滿足水文測驗(yàn)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(yàn)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(yàn)方式進(jìn)行加密觀測，從而保證沙峰過程的準(zhǔn)確觀測。