淮河中游魯臺子站水沙特性分析

童 猛

（阜陽水文水資源局穎水勘測隊,安徽 阜陽 236000）

1 流域和測站概況

1.1 流域概況

淮河流域地處我國華中河南與華東地區(qū)蘇皖,西起河南省桐伏牛山、柏山區(qū),東臨黃海,全長約1000 km,總落差約196 m,內(nèi)以廢黃河為界,淮河面積約19 萬km2。王家壩以上至淮河源頭河南省的桐柏山為淮河上游,落差達178 m,占淮河總落差200 m 的90%,河道比降為萬分之五,上游坡陡水急,使王家壩遭受巨大的抗洪壓力。王家壩以下至江蘇的洪澤湖三河閘490 km 為淮河中游,落差僅16 m,河道狹窄彎曲,河道比降為萬分之零點三,比降小,水流緩慢；中游有許多重要城市、工礦企業(yè)和交通大動脈,因此,確保淮河中游的安全,是淮河防汛抗洪的重中之重。三河閘以下至淮河入長江口的三江營146 km 為淮河下游,落差6 m,河道比降為萬分之零點四。三河閘所在的洪澤湖由于黃河奪淮河多年泥沙淤積,湖底已經(jīng)高于淮河河床底,并高于所在洪澤縣地平1 m,形成“地上湖”,洪水越到下游越緩慢。因河沙淤積,支流增多、中游河道落差小,水流遲滯,每年5 月～9 月為淮河主汛期,主汛期淮河暴雨頻繁。

淮河魯臺子段,地處淮河中游。淮河南岸主要支流淠河流域面積在6000 km2～7000 km2在本段匯入干流；淮河北岸沙潁河流域面積約3.7×104km2為淮河北岸最大的支流。淠和來沙潁河來水迅猛。

1.2 測站概況

魯臺子水文站位于安徽省鳳臺縣魯臺子村,距下游河口294 km,匯入洪澤湖。魯臺子水文站于1920 年6 月至1922 年12 月由偽江淮測量局主辦,1924 年4 月由偽全國水利局導淮測量處主辦,1941 年～1944 年由偽安徽省政府主辦,1947 年7月～1948 年12 月由偽淮河水利工程總局主辦,1950 年5 月由前淮河水利工程總局復設為正陽關（魯臺子）二等站,1954 年改稱魯臺子二等水文站,1980 年1 月水文體制上收,現(xiàn)隸屬安徽省水文局管轄。魯臺子水文站是淮河中游重要控制站,距上游正陽關水文站10 km、潤河集水文站70 km,距下游蚌埠閘水文站111 km,集水面積88630 km2。本站是國家重要水文站、一類精度站。測驗項目有水位、流量、懸移質泥沙、降水量、地下水位、水質、水文調查等。

2 降水與蒸發(fā)

魯臺子水文站地處淮河中游,氣候類型屬于屬暖溫帶季風氣候,淮河流域主汛期5 月～9 月份易發(fā)生暴雨洪水災害,淮南山區(qū)暴雨洪水主要集中在6 月份；7 月～9 月淮河全流域降雨增多,為災害發(fā)生的主要時期；淮河中游魯臺子站汛期同時受東南沿海地區(qū)臺風影響,暴雨增多。

經(jīng)統(tǒng)計魯臺子站多年平均降雨量 897.8 mm,最大年降水量1458.5 mm（2003 年）,最小年降水量384.4 mm（1966 年）。年極值比為3.79 倍,降水量年際變化較大。隨機選取魯臺子站2010 年、2012 年、2014 年、2018 年四年降雨量作為本次研究代表年份。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得到魯臺子站降水量主要集中在汛期 5 月～9 月,為年降水的 64%。其中7 月～9 月很降雨量為全年降雨量的40%,11 月、12 月、1 月、2 月四個月降水降雨僅占全年降水的16%,季節(jié)性差異較大,夏季雨水多,春、冬季雨水少。

自然條件下水面蒸發(fā)與該區(qū)域飽和水汽壓有關,還與空氣對流、風速、氣壓。濕度等氣候條件有關[1]。經(jīng)統(tǒng)計魯臺子水文站年均蒸發(fā)量1246 mm。本站采用E-601 蒸發(fā)皿進行觀測,通過對多年蒸發(fā)觀測資料的統(tǒng)計分析,本站蒸發(fā)量年內(nèi)呈現(xiàn)出季節(jié)性變化且變化較大,冬季蒸發(fā)量最小12 月份開始逐漸增大,夏季蒸發(fā)量大,7 月～8 月份達到最大值,占全年蒸發(fā)約30%。經(jīng)統(tǒng)計5 月～9 月份蒸發(fā)占全年蒸發(fā)量的57%,最小蒸發(fā)出現(xiàn)在2 月,僅占全年蒸發(fā)的3%,觀測年份蒸發(fā)量統(tǒng)計。

3 徑流

本站最大年徑流量524.9 億m3,最小年徑流量34.93 億m3,徑流主要受上游來水控制,其次是降水補給。控制斷面流量由上游潁河,臨淮崗,淮河干流匯流組合而成。測驗河段順直,系復式斷面,水位達22.00 m 以上即漫灘,右岸退堤于2001 年完成,左灘寬約80 m,右岸灘寬約550 m。河床土質為砂壤土,稍有沖淤變化。左岸有坍塌現(xiàn)象。右岸種有農(nóng)作物,高水時阻水。流速儀測流斷面在本站基本水尺斷面下游 105 m 處,斷面寬原為 610 m,退堤后現(xiàn)為 1030 m。上游12 km 處左岸有潁河匯入,18 km 處右岸有淠河匯入。魯臺子站上下游水利工程見表1。

表1 魯臺子站上下游水利工程情況一覽表

從表2 可以看出,魯臺子站徑流量年內(nèi)分配不均,主要分布在主汛期5 月～9 月。

表2 觀測年份月平均流量進行比對分析 單位：m3/s

4 泥沙

淮河中游魯臺子站測驗斷面泥沙主要來源流域侵蝕和河槽侵蝕,暴雨形成的地面徑流對流域表面的土壤侵蝕和沖刷,造成水土流失,大量泥沙進入河道,泥沙的運動與其顆粒大小關系緊密,粗顆粒泥沙運動能力較弱會沿程積淀,細顆粒泥運動能力強被水流挾運至下游。

4.1 含沙量變化趨勢

根據(jù)魯臺子水文站年實測含沙量資料進行統(tǒng)計,歷年最小含沙量0 kg/m3歷年最大含沙量17.2 kg/m3。汛期5 月～9 月魯臺子懸移質含沙量占全年懸移質含沙量的62%。2 月份懸移質含沙量最低僅占全年懸移質含沙量的4%,選取年份統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出懸移質含沙量的和年徑流量密切關聯(lián),徑流大懸移質輸沙率越大,主汛期年河道中徑流量增大,懸移質含沙量也相應增大,汛期懸移質含沙量大于非汛期含沙量。魯臺子站左岸水深大流速快,懸移質含沙量大；右岸水深較淺,水流緩慢,懸移質含沙量小。

4.2 輸沙量的年內(nèi)變化

通過表3 可以發(fā)現(xiàn),魯臺子站多年平均輸沙量758.7×104t。經(jīng)統(tǒng)計魯臺子站汛期5 月～9 月懸移質輸沙率占全年懸移質輸沙率的84%。1 月份懸移質輸沙率最小僅占全年輸沙率的1%。

表3 觀測年份年月平均懸移質輸沙率比對單位：kg/s

4.3 相關性分析

水文時間序列自相關性分析可以用來分析該序列是否具有隨機性或具有趨勢性[2-3]。相關系數(shù)r 的計算公式是：

式中：Cov（X,Y）為X,Y 的協(xié)方差,D（X）、D（Y）分別為X、Y 的方差。

若Y=a+bX,則有：令E（X）=μ,D（X）=σ。則E（Y）=bμ+a,D（Y）= bσ。

相關系數(shù)：0.8～1.0 極強相關；0.6～0.8 強相關；0.4～0.6中等程度相關；0.2～0.4 弱相關；0.0～0.2 極弱相關或無相關。

對于x、y 之間的相關系數(shù)r：當r 大于0 小于1 時表示x 和y 正相關關系。

當r 大于-1 小于0 時表示x 和y 負相關關系。

經(jīng)計算年徑流量和年懸移質輸沙量相關系數(shù)r=0.752、0.791、0.782、0.801。

年懸移質含沙量和年懸移質輸沙量相關系數(shù)r=0.802、0.826、0.763、0.839。

魯臺子站年徑流量、年懸移質含沙量與年懸移質輸沙量自相關性結果表明,年懸移質含沙量與年懸移質輸沙量關系較強呈強相關關系[4-6]。年徑流量與年懸移質輸沙量呈強相關關系。因此,魯臺子站年徑流量、年懸移質含沙量與年懸移質輸沙量時間序列在較長時期的變化中不具有隨機特性,而是表現(xiàn)出一定的趨勢性和周期性。

5 結論

本文通過分析魯臺子水文站水沙特性變化規(guī)律,深入研究得出以下結論：

1）降雨量年內(nèi)分配不均汛期5 月～9 月占比64%,年際變化較大。蒸發(fā)量呈季節(jié)性變化規(guī)律冬季較小,夏季較大。降雨量與懸移質輸沙量關系不強。

2）年徑流量與年懸移質輸沙量自相關性分析結果表明,魯臺子年徑流量越大,年懸移質輸沙量越大。汛期5 月～9 月懸移質輸沙量占全年懸移質輸沙量比重較高占比達84%。

3）懸移質含沙量與懸移質輸沙量自相關關系較強,懸移質含沙量越高輸沙量越大。

4）由于上下游工程建設和閘門控制,魯臺子站懸移質輸沙量逐年增大,懸移質含沙量降低,上游植被恢復較好。