河流泥沙流量观测分析

胡伟

（湖南省衡阳水文水资源勘测中心，湖南 衡阳 421001）

0 引言

河流上游向下游持续输送泥沙所造成的后果，主要是河床高度上升，若不尽快解决该问题，将给泥沙所具有输出能力产生不良影响，甚至会导致河水泛滥，久而久之，不仅会致使水库容积大幅减少，还会使河床建筑物性能受到损害。为避免上述情况出现，各国学者纷纷选择对流沙问题成因进行研究。

1 观测现场情况

1.1 流域概况

本次所观测流域为洣水流域（图1），该流域位于东经 112°51′~114°00′、北纬 26°15′~27°10′，发源地为油榨岭，途经河漠水、攸水和茶水等多个支流，最终注入湘江。该河流域的全长为297km，实测流域面积为10327km2，坡降平均值在1.02‰左右。

图1 观测现场

洣水流域位于湘东丘陵地区，整体地势为西北低、东南高，平均海拔高度为50~200m。上游降水充沛且植被良好，拥有丰富的水资源，下游地势较为平坦。由于洣水流域是典型的亚热带季风气候，降雨多集中在4—7 月，地域分配具有上游多下游少的特点，强降雨历时以1d较为常见。该流域洪水多由强降雨形成，其时空变化特征和强降雨特征相同，4—9 月是汛期，其中，4—7 月是洪水高发期。该流域干流及支流均建有水利水电工程，随着工程投入运行，河道水量变得更加均衡，其中，给衡东站测验产生较大影响的工程为洋塘河坝、甘溪水电站。

1.2 测站概况

衡东水文站的坐标为东经112°56′22.4″，北纬27°05′46.9″，测验项目包括水质监测、水位和泥沙等。该站洪水多由降水产生，呈现形式以单峰型为主，具有峰型肥胖、涨落平缓的特点[1]。自主峰雨停止到洪峰形成，通常需要等待20h，洪峰可维持2~3h，沙峰可维持2h 左右，大型洪水可维持约7d。湘江和本流域均出现洪水时，回水顶将被托至监测断面，考虑到该站极易受到湘江回水顶托以及下游河坝影响，有关人员决定对测验断面位置进行搬迁。搬迁后测验断面的水文特征值见表 1、表 2。

表1 衡东水文站历年特征值

表2 衡东水文站多年平均值

1.3 测验河段和断面情况

测验河段的顺直长度在800m 左右，河床宽度约为350m，属于典型的收缩河段。左岸是山丘，右岸是衡东防洪堤，该防洪堤的高程为56.9m。河心存在一沙洲，在低水、中水情况下，沙洲将该河段的河道分为两部分，当河段水位达到53m 时，沙洲将被河水淹没。主航道位于左股水流的250m 处，衡东大桥位于断面上游约2km处，下游2km 附近存在一弯道，即为该观测站的控制断面。甘溪河坝位于该河段上游约13.5km 处，该河坝装有17 孔弧型闸门，同时具有放电发水的功能，极易给本站水位产生影响。下游9km 为洋塘河坝，若水位未达到47.8m，回水托顶将给水位流量产生巨大影响，布设测验点的难度随之增加。

2 观测设备

观测所用设备应当具备以下4 项功能：①可对水面至河床间的水流进行取样，同时对样品中所含泥沙进行分离。②可在少量水流中对研究所需样品进行平稳取样。③可准确把握取样点附近泥沙粒径、泥沙量与时间的关系。④可对河段断面水流进行取样，并且保证取样点位于水流的中心[1]。另外，要想保证收集设备可发挥出应有作用，还应重视以下两方面内容：①保证对流量进行观测的过程中，收集所用设备不会出现任何机械故障。②取样所用吊桶形状符合要求，既能够被用来对水面进行取样，同时也能够在河床上进行取样[2]。观测设备如图2 所示。

图2 观测设备

3 观测方法

3.1 获取样品

出于对泥沙实际情况进行准确了解的考虑，有关人员指出应在连续涨水期间进行取样，同时在落水时、最大时刻进行取样。通过实地勘测的方式，对河水浑浊程度、涨落程度进行确认，根据气象雷达针对短时降雨所做出预测，对取样的时机和两次取样工作的间隔加以确定。除特殊情况外，均应将相邻两次观测工作的间隔定为1h，每次需要连续观测约7h，保证观测所获得数据具有实际意义。一旦出现河水浑浊或是流量激增的情况，可酌情增加观测次数，以免出现观测工作无法如实反映河流情况的问题[3]。

3.2 测算样品

3.2.1 测算步骤

对采集所得样品进行分离，获得相应的水样品和泥沙样品。将取样所得泥沙进行分层，一般可将其分成两层，下层是沉降区，上层是浑浊区，将浑浊区水样转移到其他容器中，保证转移水样的体积在1.5L 左右，利用所转移水样对悬移质数量进行测算。

3.2.2 测算项目

本研究所测定项目主要包括以下几类：当地降雨量，河流水位及宽度，河水流速，采样体积和质量，分离所得样品的水质，样品泥沙质量。取样的过程中对溢洪道当前水文条件进行分析，在取样所用吊桶上游安装水位测定仪，借助超声波水位计对实际水位进行准确测定。利用吊桶上游所设置浮子对河水流速进行测定。通过目测的方式，确定水流大致宽度。直接对样品水流量、泥沙量进行称重，根据大罐内部各方位所标注刻度对体积进行计算。在完成分离样品的工作后，分别对样品泥沙质量和水质量加以确定，根据计算所得出数据，对泥沙粒度的分布情况进行明确。

3.3 泥沙观测要点

对河流泥沙进行测定的切入点，主要涉及以下两个方面。

（1）泥沙粒径。若以粒径大小为依据，可将常见泥沙颗粒划分成粘粒和卵石等几大类，大粒径泥沙往往需要跟随水流在河床的底部滚动或是滑动，小粒径泥沙则能够在水流所形成扩散作用的影响下，持续悬浮在水体中部或上部，通常被用来对水体污染物进行吸附。对泥沙粒径进行测量的方法较多，其中，使用频率较高的方法为超声测量，简单来说，就是根据不同介质中声波所形成声能衰减和颗粒所具有散射特性，对其浓度和实际力度进行测量。考虑到超声频率所对应频带往往较宽，可被用来对毫米颗粒、纳米颗粒进行测量，同时声波具有极强的传统率，在对浓度较高的颗粒进行测量方面，通常能够具有较其他方法更加突出的表现，即使不对样品进行稀释，也可获得真实且准确的结论。

（2）含沙量。单位体积样品所包含泥沙总量即为含沙量，一般来说，河流实际含沙量与检测时间密切相关，汛期的含沙量较其他时间更大，若河流处于枯水期，则其含沙量普遍低于平均值。在有洪水发生时，观测所得含沙量最大值极为沙峰，这里需要注意一点，即洪峰和沙峰间并不存在直接关联。目前，测量泥沙浓度的技术已趋于成熟，其中，最具代表性的技术为超声波测量。

若观测流域存在滑坡地，则较易由于降雨而引起滑坡问题，导致泥沙量激增，进而使下游河水变得更加浑浊。为避免河水浑浊度给观测工作造成不利影响，有关人员决定以滑坡地实际面积为依据，在下游适当位置增设浊度计，用来对河水浑浊程度进行分析，如图3、图4 所示。

图3 2019 年 7 月 9 号洪水

图4 衡东水文站辅助断面大断面图

4 观测结果分析

4.1 观测所得数据

有关人员选择在台风季节进行取样，并将取样点设置在溢洪道断面。考虑到溢洪道取样难度较大，仅能通过预估的方式对河流泥沙量、流量加以确定。在不更改吊桶流入状态的前提下，对样品沉降区、浑浊区所包含泥沙的质量浓度进行计算。在堆积沙面对河床坡度进行测量所得数据是1/15，对应悬移质粒径在2~9mm之间，若泥沙质量浓度达到最大，粒径最大值可达到300mm。在观测过程中，当地出现强降雨的概率在45%左右。

4.2 泥沙和流量的比值

通过对过去两年间当地降雨量最为充沛时的河水进行取样并分析，结果表明，泥沙、流量间存在着极为紧密的联系，并且二者的关系为正相关，其中，泥沙均处于10-7~1，而流量处于10-1~10（2可划分出3 个等级）。由此可见，每增加1 个流量等级，对应泥沙量可增加3 个等级或4 个等级。另外，对泥沙量进行分析可知，悬移质冲刷量的占比极大，通常可达到80%，特殊情况下，其占比可能减少到50%，但通常不会达到100%。

5 结语

对本次观测的河流而言，悬移质冲刷量在泥沙总流量中的占比较大，通常可达到约80%。通过观测可知，该河流的流量处于10-1m3/s~10m3/s，对比其他河流观测所得出数据能够发现，该河流悬移质量较其他河流略大。未来应加大对大洪水泥沙量进行观测的力度，结合其他机构所提供数据展开评价，使观测工作所具有价值得到充分发挥。