高含沙洪水对水位流量关系影响探究

王志勇，孙建民

（黄委河南水文水资源局，河南 郑州 450004）

1 前言

2018年7月黄河小浪底水库进行了防洪预泄，小浪底水库出库站小浪底水文站最大含沙量达到435 kg/m3，流量达到4 490 m3/s，出沙时间较长，含沙量大，是这次防洪预泄的特点。从小浪底水文站的水位流量关系看，高含沙洪水对水位流量关系影响较大，因此对小浪底站高含沙洪水对水位流量关系特性的影响进行分析，以达到积累经验，提高测报质量，更好地为防洪减灾服务。

2 水位、流量过程

受小浪底大坝闸门变动影响，水位、流量过程变化较快，流量变动范围约1 320～4 490 m3/s，见图1。

图1 小浪底水文站水位流量过程线图

3 含沙量过程

整个含沙量过程分为两个阶段（图2），第一阶段7月3日到11日，含沙量约为0～150 kg/m3，第二个阶段为7月11日到24日，含沙量约为20～435 kg/m3。含沙量大，出沙时间长，是这次调水调沙的特点。

图2 含沙量过程线图

4 水位、流量关系

小浪底站测验河段为砂卵石河床，洪水期河床稳定，冲淤不明显，含沙量不大的情况下，测验河段水位流量关系为单一线。2015年小浪底水文站大水期间没有含沙量，水位流量关系见图3。

图3 2015年小浪底水文站水位流量关系图

2018年7月3-24日高含沙洪水期间小浪底水文站水位流量关系（图4），实测流量点比较散乱，构不成单一水位流量关系。

图4 2018年小浪底水文站高含沙洪水水位流量关系图

5 高含沙对水位流量关系特性的影响

高含沙洪水会使洪峰流量沿程增大。从图3、4可以看出，高含沙量对水位流量关系影响较大。为分析含沙量对水位流量关系特性的影响，下面分几种情况进行探讨。

5.1 含沙量大小对水位流量关系的影响

把含沙量57～71 kg/m3和111～117 kg/m3期间实测的流量分别都挑出来，点绘水位流量关系（图5），图上两种相差较大的含沙量对水位流量关系没有造成明显不同，构不成两个明显不同的系列，因此含沙量不是决定水位流量关系的决定性因素。图5上最右边2个圆点是111～117 kg/m3期间实测的水位流量关系点，偏大的原因后面分析。

图5 不同含沙量下的水位流量关系图

5.2 涨、落沙过程对水位流量关系的影响

根据图2含沙量过程线，分别点绘沙峰1前、后，沙峰2前、后水位流量关系实测点（图6）。从整体上看，沙峰1、2落沙侧，点位比较集中，大体上偏左，水位流量关系靠左；沙峰1、2的涨沙侧，水位流量关系点位散乱，大体上偏右，水位流量关系靠右，就像图5 中两个偏大的点，经过查看都是处于涨沙侧时期。结论：①沙峰前后，就是涨沙阶段和落沙阶段对水位流量关系影响是不一样的。涨沙阶段水位流量关系靠右，落沙阶段水位流量关系靠左。②涨沙阶段水位流量关系散乱，落沙阶段水位流量关系相对集中。

图6 沙峰前后水位流量关系图

5.3 高含沙对水位流量关系影响的原因分析

5.3.1 原因

沙峰前后对水位流量关系影响的不同，可以从物理学角度去解释。根据物理学的动量守恒定律：M1V1+M2V2=M1V11+M2V21。涨沙侧后面的含沙量大于前面的含沙量，也就是M2>M1，当后面质量大的洪水赶上质量小的洪水时，质量小的洪水就会加速前进，这也是以前调水调沙时洪峰增值的原因之一。落沙侧正好相反，前面洪水含沙量大于后面洪水含沙量，M1>M2，因此当质量小的洪水赶上质量大的洪水时，由于增加的动量小，也就不影响前面洪水的速度。因此按照这个理论分析落水侧的水位流量关系应该和清水期间水位流量关系相一致。因此图6中沙峰1后、沙峰2后的水位流量关系比较接近。

5.3.2 水位流量关系分析

根据上面分析的原因，对图6沙峰前后水位流量关系进一步分析。

5.3.2.1 沙峰前水位流量关系

沙峰前实测点散乱原因：一是水的流速和后面高含沙洪水的动量增速有关，也就是后面洪水的含沙量增大越快，前面水的流速增加就越大，也就是和含沙量的增大速率有关，也就是说涨沙侧含沙量增大速率不一致造成的流速增大不同而引起的点位散乱；二是大的涨落沙过程中包含小的涨落沙过程所致。

5.3.2.2 沙峰后水位流量关系

沙峰后水位流量关系：从理论上沙峰后水位流量关系应和清水时期水位流量关系相一致，但是还会出现个别点位偏大等原因，一是沙峰刚过时流速是逐渐减小的，相比清水时流速还是偏大的；二是因为落沙侧也有小幅涨沙过程，扰乱了水位流量关系。

根据以上的原因分析，高含沙洪水的水位流量关系应根据含沙量过程涨沙侧和落沙侧考虑分别定线：①涨沙侧定线：涨沙侧定线参考往年或者前期较近的涨沙侧水位流量关系点位，找相似的情况，主要参考含沙量大小及其增速等，结合实测点，综合定线。②落沙侧定线：落沙侧定线参考往年或者前期较近的落沙侧水位流量关系点位或者清水时期的水位流量关系，结合实测点，综合定线。

例如：如图6 中2 号线是涨沙侧最大线，66、67、68 是实测点，数据见表1。66、67是沙峰2前数据，68是沙峰2后数据，68和67 比较，水位高出约0.50 m，流量大了1.20%，流速小了22.70%。沙峰前后改变的主要是流速大小，这也是上述原因分析的结果。67 实测时间是7 月14 日6∶57，68 实测时间是15 日11∶36，按照常规水位流量参考实测点见图7，参考2号线走势。根据上述分析的原因，定线参考沙峰前后，沙峰2 出现的时间为7 月14 日10∶00，水位流量关系应该分2 段，14 日10∶00 之前此段在沙峰前，水位流量关系可以参考2号线，14日10∶00之后参考沙峰1 后1 号线（见图8）。68 是7 月15 日11:36 流量实测点，验证了图8的水位流量关系走势。

图7 参考实测点定水位流量关系图

表1 沙峰前后数据对比表

图8 参考沙峰前后定水位流量关系图

6 结论与建议

6.1 结论

含沙量大小不是影响水位流量关系的决定性因素；沙峰涨落过程是影响水位流量关系的重要因素之一，沙峰前流速增大较快，水位流量关系偏右，沙峰后影响流速因素减小，水位流量关系偏左；高含沙洪水时期，水位流量关系应考虑沙峰前后分别定线。

6.2 建议

根据高含沙洪水的特点，提出以下建议：高含沙洪水期间，在线检测主流流速的变化，提高测报精度；高含沙洪水期间，在线检测主流含沙量的变化，确定沙峰前后分界，提高测报精度；分析往年资料，综合考虑定线。