永宁河永宁镇水文站单断沙关系分析

王春阳

(甘肃省陇南水文水资源勘测局，甘肃 成县 742500)

1 测站及流域概况

永宁河干流发源于西秦岭南麓，徽县西北部大山的东南坡[1]，源地海拔2064.8 m，属嘉陵江上游一级支流，位于甘肃省徽县东部，流域面积2177 km2，河流全长约170 km。流经天水市娘娘坝、李子园、党川、陇南市徽县高桥、柳林、永宁镇、于徽县嘉陵镇田家河村注入嘉陵江。永宁镇水文站位于徽县永宁镇，距下游河口(嘉陵江)约19 km，该站属省级一般水文站，测验项目主要有降水量、蒸发量(E601及20 cm口径蒸发同步观测)、水位、流量、含沙量(包括单样含沙量及输沙率)、定点洪水调查。永宁镇水文站位置见图1。

图1 永宁镇水文站位置示意图

2 水文特性

2.1 断面特性

含沙量的分布形式与河床性质、断面形状及河道形势、泥沙粒径及上游来水情况等各项因素有关[2]。断面的稳定与否，对输沙率的影响很大，点绘该站近十年的大断面变化图(见图2)，可以看出，测验断面相对稳定，冲淤变化小。

图2 永宁镇水文站大断面冲淤变化图

2.2 降水、蒸发特性

该站降水量主要来自汛期，对该站年降水量资料统计分析发现，年内分配极不均匀，其特点是每年5月～9月雨量高度集中，约占全年降水的80%左右。春季和冬季降水少而不稳定，主汛期6月～8月降水量占全年降水量的68.5%；降水量的年际变化相对较小，多年平均降水量693.8 mm，而多年平均蒸发量为750.0 mm，远大于年降水量。降水年内分配见表1，降蒸对比见图3。

图3 永宁镇站降水蒸发量趋势对比图

表1 永宁镇站降水量年内分配表 单位：mm

2.3 径流特性

利用多项式对径流变化进行分析，径流量呈现有规律的高频振荡[3]。由于雨水主要集中在5月～10月，期间多发生山溪性洪水，常挟带大量泥沙，含沙量在这段时间最为集中。在主汛期，径流量占多年平均径流量的76.2%，该站多年平均年径流量为4.12亿m3。受降水量分配影响，径流量具有年内分配不均、年际变化大的特点。该站历年最大流量1860 m3/s，流量过程与降水量过程基本相应，最小流量为0.46 m3/s。从图4可以看出，该站年径流量呈现逐年减小的趋势。

图4 永宁镇站年径流变化趋势图

2.4 泥沙特性

该站及上游均属山地丘陵旱作农业区，农业生产是永宁河含沙量的主要来源。断面泥沙主要来源于中上游，源地属黄土高原向秦岭的过渡地带，加上中上游农田大量开垦，植被遭到很大破坏，土壤侵蚀严重。根据泥沙长系列资料计算，多年平均含沙量为1.96 kg/m3，主要出现在6月～9月。由于降水径流的年内分配不均，导致输沙量年内分配极不均匀。多年平均含沙量最大值为12.8 kg/m3，最小值仅为0.063 kg/m3，倍比203，相差悬殊；多年平均输沙率为31.7 kg/s，最大输沙率为271 kg/s，最小值仅为0.39 kg/s，倍比694.9；输沙量方面，多年平均输沙量为100万t，年最大输沙量855万t，最小为1.2万t，倍比713，年际变化大，输沙率平均侵蚀模数490.5 t/km2，点绘输沙量与年含沙量的变化对比曲线，输沙量年内分配与含沙量保持一致，输沙量年内分配极不均匀，主要出现在主汛期(6月～9月)，期间输沙量占全年的93%；沙峰持续时间短、分配不均、变化幅度大是该站泥沙的主要特性。近十年来，天保工程的实施，加之径流量减小，河流挟沙能力减弱[4]，含沙量呈逐年减小的趋势。

3 输沙率测验方法

输沙率采用瓶式采样器取样，过滤法处理，施测流量时采用积深法取样，同时计算单样含沙量。由于河道情况特殊，在测验断面布设4条采样垂线，分别是起点距35.0 m、40.0 m、45.0 m、50.0 m处，分析计算各条垂线单样含沙量，再利用单样含沙量推求悬移质断面平均输沙率及断面平均含沙量，测验过程比较繁琐。为了简化程序，提高工作效率，采用多年来的输沙率变化规律，率定出断面平均含沙量与单样含沙量之间的关系，用单位含沙量直接推算断面平均含沙量。

《河流悬移质泥沙测验规范》(GB/T 50159-2015)[5]规定：采用积深法测定垂线平均含沙量，应按下式计算断面输沙率及含沙量。

Qs=Csm1q0+q1(Csm1+Csm2)/2q1+q2(Csm1+Csm2)/2
+…+qn-1(Csmn-1+Csmn)/2+Csmnqsmn)

(1)

Cs=Qs/Q

(2)

式中：Qs为过水断面内的悬移质输沙率；Csm1为第一条采样垂线的平均含沙量；Csm2为第二条采样垂线的平均含沙量；Cs为断面上某一测点的单样含沙量；qn为部分流量。

4 单断沙关系分析

4.1 技术依据及资料选取

按照《河流悬移质泥沙测验规范》的规定[5]，测沙垂线一般不少于5条，有较大洪水时垂线布设多达10条以上。由于径流量主要在5月～10月，输沙率也相应的此期间测验，每年取样一般不少于15次，在计算分析时，严格按照上述规范的要求进行。本次选取该站2009年～2019年11年共60次输沙率测验资料进行单断沙关系分析，资料来源于永宁镇水文站输沙率实测资料，并已整编为成果。所选取的资料变化规律相似，代表性较强。实测输沙率成果表见表2。

表2 永宁镇站单断沙测验成果表 单位：kg

4.2 单断沙关系分析

断面平均含沙量与某一垂线的单样含沙量具有一定的关系[6]。在现行的单断沙关系分析上，主要采用的是相关分析法。点绘该站近十年的单断沙综合关系曲线见图5。由图5可以看出，单断沙综合关系曲线和历年关系曲线基本重合，采用一元回归曲线对单断沙关系曲线进行分析，分析结论能达到要求。按照《河流悬移质泥沙测验规范》的规定，分析时，将这11年60次输沙率实测资料按含沙量大小分成10个量级，量级划分见表3，计算得相关系数R2=0.9998，分析出历年综合单断沙关系换算系数0.9964。经过推沙结果验算，换算系数精度能满足要求。

表3 实测输沙率按沙量分级 单位：kg/m3

图5 永宁站历年单断沙关系综合线

4.3 单断沙关系线偏离分析

各年泥沙整编采用换算系数与综合单断沙关系换算系数误差分析见表4。按照《河流悬移质泥沙测验规范》要求，如果偏离误差在±5%以内，说明本次分析的换算系数满足要求。经过表4中的误差分析统计，且与历年综合单断沙关系比较，历年单断沙关系线与综合关系线偏差均在1%以内，由于资料整编普遍采用《南方片资料整编软件5.0版本》，在做含沙量计算时，基于最小二乘法原理[7]计算的，所以本次分析出的单断沙关系换算系数精度较高，换算系数可取K=0.9964。

表4 单断沙换算系数误差分析

5 结语

通过对永宁镇水文站的单断沙关系分析，将该站近十年来的输沙率资料进行计算，得出该站单断沙关系换算系数，利用分析得出的系数进行推沙计算，结果表明：单断沙关系相关性较好，按照《河流泥沙测验规范》的要求，换算系数符合规范规定，《水文巡测规范》(SL 195-2015)[8]规定：如果经分析计算，该站输沙率达到规范规定的要求，那么该站输沙率可以实行间测或者停测。建议：永宁镇水文站输沙率停测，只测单样含沙量。利用换算系数推沙，可作为永宁镇水文站输沙率实行停测的基本依据，达到解放人力、提升工作效率的作用。