城陵矶年最大单沙过程与落差关系分析

张 潮，陈建湘，汪卫东

（长江中游水文水资源勘测局，武汉 430012）

1 基本情况

城陵矶（七里山）站位于湖南省岳阳市七里山，是洞庭湖的总出湖水量、沙量及出湖水质的控制站。测验河段较为顺直，水位在28.50m以上左岸滩地漫水，滩地宽度约2km，断面为单式河床，基本稳定，略有淤积，断面上游2km新建洞庭湖大桥，下游约3.5km为洞庭湖与长江汇合口。

城陵矶（七里山）断面的水沙构成主要是湘、资、沅、澧四水及长江的松滋、太平、藕池三口的来水来沙，另有汩罗江及新墙河注入，其中四水来水权重大于长江三口，而长江三口来沙权重大于四水。水位流量关系主要受洪水涨落和长江顶托的综合影响，关系呈绳套形，采用连时序法整编定线。

2 分析研究目的和意义

洞庭湖区洪水一部分来自长江三口，一部分来自四水，还有一小部分来自于区间，由于洪源多，以及三口、四水洪水特性的差异，导致洪水组成复杂。三口洪水主要来自长江上游，峰型肥胖，历时较长，汛期为5～10月，主汛期为7～8月；四水洪水峰型尖瘦，历时较短，汛期为4～9月，主汛期为5～7月。

洞庭湖入湖沙量中，三口占80%左右，因此，三口来沙的变化直接影响到城陵矶（七里山）含沙量变化。城陵矶（七里山）最大洪峰通常出现在7～8月份，而最大沙峰一般出现在3～4月份，即最大流速及最大输沙过程与四水，尤其湘江水沙情一致。

城陵矶（七里山）站多年来一直用光电沙检测方式来布置含沙量测验，年平均输沙测次38次，含沙量测次达193次，测次多，且含沙量测验时有盲目性，极易在年最大沙峰或次大沙峰时漏测或测次布置欠佳，同时导致测验成本大。研究含沙量的变化趋势，准确的捕捉年最大含沙量过程，不但能减少含沙量测次布置的盲目性，同时也提高了工作成效和成果质量。

3 城陵矶年最大单沙过程与落差关系分析

在城陵矶（七里山）水位～流量关系单值化分析过程中，点绘鹿角站～城陵矶（七里山）站水位落差与城陵矶（七里山）站实测含沙量历史资料（见图1），发现洞庭湖出湖水道含沙量与鹿角站～城陵矶（七里山）站落差有比较稳定的对应关系。

通过对2000～2010年鹿角站～城陵矶（七里山）站落差与城陵矶（七里山）站实测含沙量历史资料分析（以2004年为例，见图2），得到如下结论：

（1）洞庭湖出湖水道含沙量与鹿角站～城陵矶（七里山）站落差有比较稳定的对应关系。

（2）当落差大于1m时一般会出现大于0.3kg／m3的含沙量。

（3）含沙量大于0.3kg／m3出现在水位级23～27m之间（依据城陵矶（七里山）站水位与实测含沙量关系图）。

（4）城陵矶（七里山）站含沙量来源于湖底历年泥沙淤积，且与流速大小相关。当每年2～4月洞庭湖来水，水流主要集中在湘江航道主槽内，且上下游落差明显偏大，导致洞庭湖出口水道流速较大，启动湖底淤积形成沙峰过程。

4 含沙量测验应用评估

4.1 含沙量测次布置原则

城陵矶站测站任务书含沙量测次布置要求见表1。

图1 单沙～落差关系图

图2 2004年城陵矶（七里山）站单沙、落差逐时过程线对照图

表1

依据测站任务书，因各年上游来水来沙情况的不同，每年测次数量不一，2000～2011年城陵矶站实测含沙量、输沙率测次和年最大单沙出现月日统计见表2。

4.2 根据落差分析确定的含沙量测验方案

（1）当水位涨落较快时，密切注意鹿角站～城陵矶（七里山）站落差变化，当出现落差大于1m时，及时增加输沙、单沙测次。

（2）当水位级在23～27m之间时，密切关注鹿角站～城陵矶（七里山）站落差变化。

（3）输沙率测验期间，测次布置的增减应以当时实测的断面平均流速大小进行调整。

（4）密切关注年初2～6月间湘阴水位站前几次洪峰，若湘阴站水位陡涨，湘阴～城陵矶（七里山）落差迅速增大，将导致出湖水道流速迅速增大，冲刷湘江航道，形成年最大沙峰过程，需及时增加输沙、单沙测次，捕捉沙峰，在湘阴～城陵矶（七里山）落差大于2m时需增加日测单沙次数、加测输沙。

（5）当出现偶发秋汛时，同样根据落差大小适时增加测次。

表2

4.3 2012年应用评估

2012年按以上确认的含沙量测验方案监测沙峰，3月2日8时至5日21时期间湘阴站水位从22.7m迅速上涨到25.4m，湘阴～城陵矶（七里山）落差从1.5m增大到2.8m，城陵矶（七里山）从3月2日湘阴转涨时加测单沙1次，3月4日加测单沙1次，自3月5日起鹿角～城陵矶（七里山）落差大于1m、湘阴～城陵矶（七里山）落差大于2m，按照预案及时增加日测单沙测次、加测输沙率，到3月13日鹿角～城陵矶（七里山）落差从1.9m的顶峰回落到1m以下，13日起即恢复到1～2天进行一次单沙测验。

在年初几次的暴雨产流中，及时关注到2月底3月初湘阴水位的陡涨和湘阴～城陵矶（七里山）站落差的迅速增大，提早预见到城陵矶（七里山）站年最大沙峰出现的可能性，应用本方案来捕捉沙峰过程，结合现场取样沙重的判断和湘阴、鹿角～城陵矶（七里山）站水位落差的变化趋势合理布置单沙、输沙率测次，减少了测次布置的盲目性，既节约了生产成本，同时有效地提高了该站含沙量测验成果质量。

应用表明，2012年3月初的含沙量测验，以合理的测次和分布，圆满地收集到年最大含沙量的变化过程，其中3月8日10时40分为实测的年最大单沙0.540kg／m3。