人類活動(dòng)影響下的工程懸移質(zhì)來(lái)沙量計(jì)算方法探討

井 涌，王紅艷，古明興

（陜西省水文水資源勘測(cè)中心,陜西 西安 710068）

1 問(wèn)題

大規(guī)模持續(xù)人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)水產(chǎn)沙造成數(shù)量增減上的顯著影響,主要包括流域內(nèi)興建的水利、水保及土地開(kāi)發(fā)建設(shè)工程等。各種庫(kù)壩工程及河道引水工程的修建,使流域所產(chǎn)生的泥沙攔蓄在水庫(kù)或淤積于灌溉農(nóng)田之中；梯田、造林、種草等水保措施均可減輕流域侵蝕,從而減少流域產(chǎn)沙量；開(kāi)礦、修路及城鎮(zhèn)建設(shè)向溝道河道的棄土棄渣又人為地增加了河道的輸沙量。

2000 年后,陜西省黃河流域河流年輸入黃河的泥沙量較1979 年前,年均減少約2.5 億t[1-2]。據(jù)新編《陜西省水文手冊(cè)》93 個(gè)20 年以上實(shí)測(cè)泥沙水文站的系列資料[3][4],分析人類活動(dòng)影響顯著的“拐點(diǎn)”后期較前期,多年平均年輸沙模數(shù)減少50%以上的站42 個(gè)、占45%,減少35%以上的站70個(gè)、占75%。

水文站實(shí)測(cè)輸沙量的銳減,以及愈來(lái)愈多研究表明,這種銳減是人類活動(dòng)與氣候變化共同作用下累積導(dǎo)致流域產(chǎn)水產(chǎn)沙環(huán)境條件發(fā)生不可逆變化的結(jié)果[5-7]。因此,工程設(shè)計(jì)斷面處的多年平均年輸沙量,既不能簡(jiǎn)單用人類活動(dòng)影響顯著的“拐點(diǎn)”前期輸沙模數(shù)計(jì)算,以免造成設(shè)計(jì)淤積死庫(kù)容過(guò)大,加大不必要的投資成本,也不能簡(jiǎn)單用“拐點(diǎn)”后期參數(shù)計(jì)算,以免可能產(chǎn)生設(shè)計(jì)淤積庫(kù)容不足,帶來(lái)遠(yuǎn)期風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)際工作中應(yīng)充分考慮人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)沙、輸沙的影響,根據(jù)具體情況采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄗ霰匾男拚?使之更加切合實(shí)際。

2 影響期分析確定

2.1 分析方法

人類活動(dòng)在時(shí)空分布上具有不均勻性和不確定性,這種特性使流域原本自然的產(chǎn)沙機(jī)理和泥沙運(yùn)移規(guī)律及其時(shí)空分布過(guò)程發(fā)生了改變。在現(xiàn)狀資料條件下,很難對(duì)人類活動(dòng)影響的諸因素分別進(jìn)行定量化的分析計(jì)算。

分析確定人類活動(dòng)顯著影響流域懸移質(zhì)輸沙量的“拐點(diǎn)”是尋找修正這種影響的基礎(chǔ)。本文采用新編《陜西省水文手冊(cè)》中選用的93 個(gè)水文站20 年以上實(shí)測(cè)泥沙系列資料,并進(jìn)行部分站渠道引沙和水庫(kù)淤積量逐年還原后,點(diǎn)繪各站年輸沙量單累積曲線,以曲線斜率突變處確定拐點(diǎn)年份的方法,分析確定各站的影響期。例如,馬湖峪站輸沙量累積曲線見(jiàn)圖1,曲線斜率突變處確定為拐點(diǎn)年份是1970 年。

圖1 馬湖峪水文站年輸沙量單累積曲線圖

2.2 影響期確定

93個(gè)選用水文站確定的拐點(diǎn)年份及特征值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1,表中僅列了少部分水文站,詳見(jiàn)新編《陜西省水文手冊(cè)》[4]。

表1 選用水文站人類活動(dòng)影響顯著的拐點(diǎn)前、后期特征值統(tǒng)計(jì)表

93 站中大部分40 年以上系列站的拐點(diǎn)年份在1970 年前后。綜合分析確定,陜北地區(qū)多在1970年前后、關(guān)中和陜南地區(qū)多在1970 年或1980 年前后,為人類活動(dòng)影響顯著的拐點(diǎn)前、后期。

為了全省范圍統(tǒng)一協(xié)調(diào)考慮繪制相同資料系列輸沙模數(shù)圖及地形地貌等因素,統(tǒng)一采用1956 年~2012 年和1970年～2012 年同步長(zhǎng)、短57 年和43 年系列,分別勾繪了長(zhǎng)系列及1970 年~2012 年同步短系列人類活動(dòng)顯著影響后期的懸移質(zhì)輸沙模數(shù)分區(qū)圖,連同表1“選用水文站人類活動(dòng)影響顯著的拐點(diǎn)前、后期特征值統(tǒng)計(jì)表”,供無(wú)資料且人類活動(dòng)影響顯著地區(qū)估算設(shè)計(jì)工程多年平均年輸沙量使用。

3 工程懸移質(zhì)來(lái)沙量計(jì)算方法

3.1 常用方法

1）有實(shí)測(cè)資料

設(shè)計(jì)計(jì)算斷面有20年以上實(shí)測(cè)年輸沙量系列資料,或采用本站流量與懸移質(zhì)輸沙率（量）,設(shè)計(jì)站與參證站懸移質(zhì)輸沙量相關(guān)關(guān)系,考慮兩者的差異插補(bǔ)延長(zhǎng)到20年以上系列資料時(shí),可用下式計(jì)算多年平均懸移質(zhì)年輸沙量：

式中：WS為多年平均懸移質(zhì)年輸沙量,104t；Wsi為i年懸移質(zhì)年輸沙量,104t；n為泥沙資料系列年數(shù)。

人類活動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)斷面的輸沙量影響顯著時(shí),可采用分別調(diào)查斷面以上各項(xiàng)水土保持措施,修路、開(kāi)礦等減增沙量的分項(xiàng)調(diào)查法對(duì)資料進(jìn)行一致性分析修正。

可根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求和資料條件,進(jìn)行下列有關(guān)內(nèi)容的分析計(jì)算和設(shè)計(jì)：

（1）多年平均含沙量、多年平均年輸沙量及其年內(nèi)分配。

（2）豐、平、枯不同典型年的年平均含沙量、年輸沙量及其年內(nèi)分配。

（3）實(shí)測(cè)最大斷面平均含沙量及其出現(xiàn)時(shí)間,最大、最小年輸沙量及其出現(xiàn)年份。

（4）多年平均和多年汛期平均顆粒級(jí)配,平均粒徑、中數(shù)粒徑、最大粒徑及礦物組成。

（5）泥沙地區(qū)分布。

2）無(wú)實(shí)測(cè)資料

無(wú)實(shí)測(cè)資料且人類活動(dòng)影響小的地區(qū),一般可用以下2種辦法估算工程設(shè)計(jì)斷面處的多年平均年輸沙量。

（1） 水文比擬法

當(dāng)工程所在河流無(wú)實(shí)測(cè)泥沙資料,而設(shè)計(jì)流域自然地理及產(chǎn)水產(chǎn)沙條件與現(xiàn)有某水文站流域條件接近或相似時(shí),可以該水文站作為參證站,利用參證站的輸沙模數(shù)推求設(shè)計(jì)流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量。

本方法的關(guān)鍵在于選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)膮⒆C流域。選擇參證流域時(shí),須考慮流域的自然地理、氣候及水文下墊面產(chǎn)沙類型,以及人類活動(dòng)影響程度的相似性。

設(shè)計(jì)流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量可按下式估算：

式中：MSC為參證水文站流域多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù),t/km2；為單位換算系數(shù)；其它符號(hào)意義同前。

工程設(shè)計(jì)斷面控制流域與參證站若在同一流域,并且控制流域面積與參證站流域面積相差在±15%以內(nèi)時(shí),其輸沙模數(shù)可直接應(yīng)用。流域面積相差±15%以上時(shí),可按無(wú)資料地區(qū)方法進(jìn)行計(jì)算。

（2）懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法

輸沙模數(shù),即流域單位面積的輸沙量,是判斷流域表面侵蝕程度的一個(gè)重要指標(biāo),它反映不同產(chǎn)沙地類條件下的流域表面侵蝕情況。懸移質(zhì)多年平均年輸沙模數(shù)可由式（3）計(jì)算[8]：

式中：MS為多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù),t/km2,其它符號(hào)意義同前。

一般懸移質(zhì)泥沙輸沙模數(shù)圖是根據(jù)選用的水文站還原后的輸沙量系列資料,計(jì)算出各站多年平均懸移質(zhì)輸沙量模數(shù),將其點(diǎn)匯在相應(yīng)的流域重心處,以主要點(diǎn)據(jù)為依據(jù),考慮暴雨強(qiáng)度及地形、土壤,植被、地質(zhì)等自然因素,以及人為毀林開(kāi)荒等影響勾繪而得。依據(jù)139個(gè)水文站的資料,勾繪的“陜西省1956年~2012年和1970年~2012年懸移質(zhì)多年平均年輸沙模數(shù)分區(qū)圖”詳見(jiàn)《陜西省水文手冊(cè)》。

查用懸移質(zhì)多年平均輸沙模數(shù)分區(qū)圖,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)流域位置先在年輸沙模數(shù)分區(qū)圖上查出相應(yīng)的輸沙模數(shù),再乘以設(shè)計(jì)流域面積,即得設(shè)計(jì)流域的懸移質(zhì)多年平均輸沙量。

采用輸沙模數(shù)分區(qū)圖算得的成果比較粗略,使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行流域調(diào)查并作全面的分析修正。

3.2 人類活動(dòng)影響顯著無(wú)資料地區(qū)計(jì)算方法商討

3.2.1 修正水文比擬法

當(dāng)人類活動(dòng)顯著影響無(wú)資料地區(qū)流域輸沙量計(jì)算時(shí),可采用表1“選用水文站人類活動(dòng)影響顯著的拐點(diǎn)前、后期特征值統(tǒng)計(jì)表”中的修正系數(shù)進(jìn)行修正。一是可直接采用選用的參證站拐點(diǎn)后期輸沙模數(shù),不用修正估算；二是可再選取選用參證站拐點(diǎn)前期輸沙模數(shù)乘以相應(yīng)修正系數(shù),再與采用拐點(diǎn)后期輸沙模數(shù)估算值比較,并結(jié)合流域?qū)嵉卣{(diào)查綜合確定合理的設(shè)計(jì)估算值。

3.2.2 修正輸沙模數(shù)圖法

采用上述無(wú)資料懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法中,勾繪的2 張長(zhǎng)、短系列輸沙模數(shù)分區(qū)圖查算,若人類活動(dòng)影響顯著,需要考慮修正的問(wèn)題。為此,在分析確定93 站受人活動(dòng)及氣候等自然條件綜合影響輸沙量突變的轉(zhuǎn)折年前后修正系數(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)各單站修正系數(shù)進(jìn)行綜合分析,給出了我省陜北、關(guān)中、陜南三大水文分區(qū)的綜合相對(duì)修正系數(shù),供無(wú)資料地區(qū)計(jì)算時(shí)參考,見(jiàn)表2。

表2 人類活動(dòng)影響懸移質(zhì)輸沙量綜合相對(duì)修正系數(shù)表

在使用時(shí)應(yīng)注意,分區(qū)綜合統(tǒng)計(jì)去掉了部分站特大值或特小值。若采用1956 年~2012 年長(zhǎng)系列懸移質(zhì)多年平均輸沙模數(shù)分區(qū)圖查算,需選取合理修正系數(shù)修正；若采用1970 年~2012 年短系列輸沙模數(shù)分區(qū)圖查算,可不再修正,或考慮選取相對(duì)長(zhǎng)系列選用修正系數(shù)較小的修正系數(shù)嘗試修正,最后需要根據(jù)工程運(yùn)行安全,設(shè)計(jì)壽命,投資成本等,并結(jié)合流域調(diào)查綜合考慮確定。

3.2.3 雨沙模型法

降水和流域下墊面地形地貌是流域土壤侵蝕和產(chǎn)水產(chǎn)沙的主成因子,以主成因子為參數(shù)研究構(gòu)建水文站單站雨沙模型,并進(jìn)行降水和下墊面地類參數(shù)的地區(qū)綜合,進(jìn)一步建立流域雨沙模型,就可以應(yīng)用模型從理論上計(jì)算流域“天然”懸移質(zhì)輸沙量,進(jìn)而比照分析得出較為合理的人類活動(dòng)顯著影響的修正系數(shù)。

《陜西省水文計(jì)算手冊(cè)》[4]提出并構(gòu)建了流域雨沙模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)下式：

式中：MS為某設(shè)計(jì)流域多年平均輸沙模數(shù),t/km2；B為水文分區(qū)參數(shù)；N為某設(shè)計(jì)流域的地類數(shù)；i為流域內(nèi)單一地類面積權(quán)重；Ci為某產(chǎn)沙地類產(chǎn)沙參數(shù),t/km2；Xs為某設(shè)計(jì)流域多年平均產(chǎn)沙降水指標(biāo)；m為與水文分區(qū)降水特征有關(guān)的參數(shù)；其他符號(hào)意義同前。

4 討論

人類活動(dòng)顯著影響無(wú)資料地區(qū)流域設(shè)計(jì)斷面多年平均年輸沙量的計(jì)算是一個(gè)很復(fù)雜的技術(shù)難題。本文嘗試提出的修正常用水文比擬和輸沙模數(shù)圖法,主要僅供我省中小河流無(wú)資料地區(qū)設(shè)計(jì)估算時(shí)參考,強(qiáng)調(diào)需在全面調(diào)查分析設(shè)計(jì)流域人類活動(dòng)影響狀況的基礎(chǔ)上分析估算,還可在2方面改進(jìn)。

（1） 表2“人類活動(dòng)影響懸移質(zhì)輸沙量綜合相對(duì)修正系數(shù)表”中的相對(duì)修正系數(shù),可考慮進(jìn)一步細(xì)化陜北北部、中部、南部；關(guān)中秦嶺北麓、渭河北；陜南漢江南、漢江北,嘉陵江分區(qū)的系數(shù),更便利應(yīng)用于中小河流。

（2） 研究構(gòu)建我省流域雨沙模型。從理論和實(shí)踐上,提升計(jì)算全省各地流域懸移質(zhì)泥沙天然輸沙量,推求人類活動(dòng)顯著影響修正的技術(shù)水平。