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、水質動態變化和流域水資源評價、區域水文特征和水文規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。枯水期,起點距8～18 m左右處出現漫灘,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,水位流量關系較穩定。基本斷面左岸為巖石峭壁,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。基本斷面上游0.45 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?；緮嗝嫔嫌?.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,蓄水發電,造成測驗斷面水位人為的有一定規律的陡長陡落以及產生大量冰塞或冰壩,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整,結合實際情況,主要對4-9月的測驗項目進行測次調整。原有的觀測項目及頻次為流量測次:全年65次;懸移質單沙測次:221次;懸移質輸沙率測次: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;懸移質單沙測次:148次;懸移質輸沙率測次: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分配表

表3 石門站水文測驗項目精簡后新的測次年內分配表

3.2 測次精簡依據分析

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的不同,一年中的測流次數,應根據高、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

根據資料統計,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。根據定線經驗,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低估水及中高水按水位高低排序,根據本站年徑流量的季節變化過程情況、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《水文巡測規范》相關誤差指標規定進行比較。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,流量變幅不大,水位流量關系良好,測次可酌情減少。在發生洪水、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《水文巡測規范》相關規定。經精簡分析后,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,根據規范的要求、高洪測驗和年頭年尾流量的銜接,確定本站年內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 懸移質泥沙觀測項目

石門站根據《河流懸移質泥沙測驗規范》(GB 50159-92)的規定,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,輸沙率呈逐漸遞增趨勢,最大輸沙率一般出現在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,單樣水樣按規定停測,按零處理。本站全年懸移質單沙測次確定為148次(見表3)。

將2014-2018年單斷沙關系定綜合線見圖12,其單斷沙綜合系數為1.000 0,其標準差為6.3、隨機不確定度為12.6、系統誤差為0.9,符合規范要求。從圖11、圖12可以看出每年最大輸沙率出現在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《河流懸移質泥沙測驗規范》(GB 50159-92)的規定,一年內懸移質輸沙率的測次,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”的水文測報監測體系,不斷推進水文觀測自動化和水文監測新技術應用,節約人力,降低成本,提高勞動生產率,擴大水文資料收集面,發揮水文大數據時效性、應急性效應,為社會提供精準水文基礎服務。