信江梅港水文站水位流量变化特征研究

韩建军，蒋志兵，程丽华，郑峰涛，罗星星

(1.信江饶河水文水资源监测中心，江西 上饶 334000； 2.江西省水利发展研究中心，江西 南昌 330029)

0 引 言

随着经济社会的快速发展和人类活动的加剧，水资源运动变化规律发生了较大变化，洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化、水土流失等更加频繁，严重威胁人民群众的生命财产安全。因此，兴水利、除水害，保护利用好水资源和水生态环境，是一项长期而艰巨的任务。

近年来，人类活动对河道的影响主要表现为改变流域植被覆盖、兴修水利工程、城市化、河道采砂等，使河流水文要素特性不断发生变化。因此，应及时了解掌握河流水文要素变化规律，分析对水文特征的影响程度，探求水位流量关系变化趋势。曾倩倩等[1]对渣津水文站测流断面变化及水位流量关系进行了分析，探求渣津水文站流量测验现状及历年变化情况，为进一步提高流量测验精准度提供了参考。刘同宦等[2]通过分析鄱阳湖五河入湖水沙通量及典型断面形态变化特性，表明水利枢纽工程、水土保持工程和人工采砂是影响五河入湖泥沙通量和河道形态的主要人为因素。施修端等[3]对城陵矶站水沙及水位流量关系变化进行了分析，结果表明该站断面年际变化呈淤积状态，从1988年起出现冲刷趋势，水位流量关系历年变化，同水位下高、中、低水泄洪能力均呈减小趋势，同流量下低、中水水位均有不同程度的抬高，高水变化趋小。叶忠伟[4]采用水位流量关系曲线的数学模型，利用计算机分析系统进行实例模型的建立和参数拟合，得出关系曲线拟合方程，利用函数关系对流量数据进行自动计算。赵军凯等[5]通过分析人类活动对鄱阳湖水位变化的影响，显示长江干流上游水库群调节对鄱阳湖水位影响存在时空差异，人工采砂活动对鄱阳湖水位的影响在枯季(尤其是冬季)影响更明显。

水文事件具有随机性和不确定性，同时，随着人类活动的多样性和复杂性日益增加，如何建立多因素影响下的水位流量关系模型仍是一个难题。本文以江西信江流域控制站梅港水文站为研究对象，对该站水位、流量、大断面等各项水文资料进行统计分析，探求导致水位流量关系变化的成因，分析对水文特征的影响程度及其变化特征。

1 研究区域概况

1.1 河道概况

信江发源于江西省玉山县境怀玉山的玉京峰[6-7]，上饶市信州区以上称为玉山水，丰溪河汇入后始称信江。干流自东向西蜿蜒而下，横贯江西省东北部，在余干县大溪渡分为东西两支，于珠湖山、瑞洪注入鄱阳湖。信江干流上已建水利枢纽(闸坝)主要有信州水利枢纽、弋阳红旗闸坝枢纽、九牛滩水轮泵站枢纽、界牌航电枢纽、信江八字嘴航电枢纽等工程。

1.2 测站概况

梅港水文站于1952年4月设立[8]，为信江流域控制站，控制流域面积15 535 km2，观测项目有水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、水质等，测站在流域所处位置见图1。建站以来实测最高水位29.84 m(1998年)，最低水位15.78 m(2019年)；实测最大流量13 800 m3/s(2010年)，最小流量4.14 m3/s(1997年)。

图1 梅港站地理位置Fig.1 Location of Meigang Station

测验河段较顺直，上、下游有弯道，河槽呈W形，河床由岩石、细沙、淤泥组成，左岸为岩石，右岸为圩堤。断面上游约23 km处界牌航运枢纽工程对该站枯水测验影响较大。上游约300 m处有一小溪汇入。下游约160 m处左岸有石山矾头，高水时有回流现象，对岸边部分流量测验有一定影响。当水位在22.50 m以上时，下游约800 m处有一中心洲，将水流分成左右两支，主流在右支。

2 断面冲淤变化分析

采用梅港站1965～2020年连续56 a汛前实测大断面资料，通过对历年汛前实测断面、水位面积关系曲线、同水位级下断面面积变化、平均河底高程、深泓点高程和深泓位置进行对比分析，研究测站断面形态变化情况。

2.1 断面变化分析

点绘研究时段内梅港水文站测流断面形态的年际变化，见图2。从图2可知：1965～2011年断面较稳定，受1998年洪水影响，断面局部略有冲淤交替(1999～2011年)，无明显变化。2012年开始断面变化较大，主要是受河道采砂影响。

图2 梅港站大断面年际变化Fig.2 Annual change of large section of Meigang Station

2.2 特定水位级下过水面积分析

根据实测断面资料，计算出历年各水位级断面面积，点绘1965～2020年历年水位面积曲线变化图，见图3。分析统计梅港水文站低、中、高水位分别为19.00，22.00 m和25.00 m，低、中、高水位级面积年际变化值及累积变化值(按逢0逢5年份统计)见表1。

图3 梅港站水位面积关系年际变化Fig.3 Annual change of the relationship between water level and area at Meigang Station

表1 梅港站同水位级面积年际变化值及累积变化值Tab.1 Inter-annual and cumulative changes of Meigang Station’s area at the same water level

从图3和表1可以看出：1965～2020年低、中、高水位级下过水面积累积增加了1 548，1 530 m2和1 550 m2，面积增大明显，在分析时期内，断面处于冲刷状态。特别是2012年开始，断面主河槽呈明显下切趋势，低水位级下切趋势更突出。2012年低、中、高水位级下的过水面积累积分别增加了478，470 m2和510 m2。

2.3 深泓位置分析

统计多年平均水位19.08 m下深泓点的横向距离，绘制其历年深泓位置摆动趋势，见图4。由图4可知，梅港水文站1965～2011年深泓点位置在距起点距107 m处左右摆动；2011年以后，深泓点位置摆动到距起点距192 m处，横向摆动较大，达85 m。

图4 梅港站历年深泓位置摆动趋势Fig.4 Trend of thalweg swing at Meigang Station over the years

2.4 平均河底高程和深泓点高程分析

统计多年平均水位19.08 m下1965～2020年(以5 a为间隔)平均河底高程和深泓点高程，见表2。绘制历年平均河底高程和深泓点高程变化过程线，见图5。

3.3 低学历者是社会支持的弱势人群 本次调查发现，文化层次低者客观支持、主观支持均较高，而利用度低;而文化层次高者客观支持、主管支持均较低，而利用度高。可以理解为文化程度不高者，对疾病知识匮乏，日常护理中很难采取正确的应对机制，或遇到问题束手无策，更不会主动寻求周边资源的帮助，容易产生负面情绪。医护人员应发挥专业角色的作用，加强对此类人群的干预，以提高他们的社会支持度。

表2 梅港站平均河底高程、深泓点高程年际变化及累积变化值Tab.2 The average river bottom elevation，interannual change and cumulative change value of thalweg elevation at Meigang Station m

图5 梅港站历年平均河底高程及深泓点高程变化Fig.5 Change of average river bottom elevation and thalweg of Meigang Station over the years

由图5和表2可知，2010年以前历年平均河底高程年际变化在0.20 m以内，2010年深泓点高程累积变化0.27 m。从图5可以看出，历年平均河底高程呈周期性变化，周期约为10 a；1990年以前断面最低点较稳定，1990年后变化较频繁。通过上述分析可知，2011年前梅港站断面稳定，冲淤变化小，断面冲淤呈波浪形变化，受1998年洪水影响断面局部冲刷，2011年以后断面受采砂影响，平均河底高程骤降0.97 m。至2020年断面平均高程累积下切3.66 m，深泓点累积下降4.49 m。

3 水位流量关系变化分析

梅港站水位流量关系主要受断面变化、洪水涨落、界牌航电枢纽工程及鄱阳湖回水顶托影响，水位流量关系低水为临时曲线，中高水为绳套曲线。根据梅港站1956～2020年共65 a历年实测水位、流量资料，以模拟水位与实测水位的离差平方和最小为目标函数，利用Excel规划求解功能对历年实测数据拟合，确定历年水位流量关系曲线，见图6。从图6可以看出，1956～2001年水位流量关系曲线基本稳定，2002年开始逐年右移，相同水位下，流量变大。

图6 梅港站历年水位流量关系线Fig.6 The relationship between water level and flow of Meigang Station over the years

3.1 同水位级下流量变化分析

(1) 相同水位下流量变化分析。根据每年水位流量关系曲线，分析统计梅港站低(19.00 m)、中(22.00 m)、高(25.00 m)水位下的流量，各水位级对应最大、最小流量值见表3。低、中、高水位级流量年际变化值、累积变化值及相对误差(按逢0逢5年份统计)见表4。梅港站1956～2001年水位流量关系曲线基本稳定，2002年开始流量逐年慢慢变大，至2012年变大明显，低、中、高变化值分别为419，636 m3/s和679 m3/s，相对误差分别为117%，30.4%和13.8%。

表3 梅港站同水位级下最大最小流量值统计Tab.3 Statistics of the maximum and minimum flow under the same water level at Meigang Station

表4 梅港站同水位级下代表年流量统计Tab.4 Statistics of flow values under the same water level at Meigang Station

从表3～4可以看出，高、中、低水位级对应的最大流量与最小值倍比为1.5～3.8倍之间。低、中、高水位级下流量累积增大值分别为839，1 397 m3/s和1 620 m3/s，累积年均变率为4.20%，1.14%，0.54%。相对误差分别为242%，69.3%，33.8%，水位越高，相对误差越小，以相对于1956～2001年流量均值的相对误差绝对值作为收敛值，各水位级收敛值基本都在10%以内，水位越高，水位流量关系越稳定，收敛程度越集中。

(2) 多年平均水位级下流量变化分析。梅港水文站多年平均水位为19.08 m，根据历年水位流量关系曲线推求其流量值，均值采用1956～2001年多年平均水位对应的流量求得，多年平均水位级下流量变化趋势见图7。

从图7可以看出，在多年平均水位级下，1956～2001年相应流量基本稳定，2002年开始相应流量逐年变大。

图7 梅港站多年平均水位级下流量变化过程线Fig.7 Flow variation process at Meigang Station under the average water level

3.2 同流量级下水位变化分析

(1) 相同流量的水位变化分析。根据每年的水位流量关系曲线，本次分析因各年份出现的最大流量不一致，故采用固定流量值1 000，3 000 m3/s和5 000 m3/s作为代表流量，按各代表流量统计水位，相应最高最低水位见表5。统计各代表流量相应水位变化见表6。

表5 梅港站同流量级下最高最低水位值统计Tab.5 Statistics of the highest and lowest water level values under the same flow level at Meigang Station

表6 梅港站同流量级下代表年水位统计Tab.6 Statistics of water level of the representative year under the same flow level of Meigang Station

从表5，6可以看出，1 000 m3/s流量级最高与最低水位差值为1.90 m，水位多年累积下降1.78 m，累积年均变化-0.03 m，相对误差-8.33%；3 000 m3/s流量级最高与最低水位差值为1.86 m，水位多年累积下降1.66 m，累积年均变化-0.03 m，相对误差-6.98%；5 000 m3/s流量级最高与最低水位差值为1.90 m，水位多年累积下降1.49 m，累计年均变化-0.02 m，相对误差-5.80%。

(2) 多年平均流量级下水位变化分析。梅港水文站多年平均流量为568 m3/s，根据该站历年水位流量关系曲线反查其水位值，采用1956～2001年多年平均流量对应的水位计算均值，多年平均流量级下水位变化趋势见图8。

图8 梅港站多年平均流量级下水位变化过程线Fig.8 Water level change process of Meigang Station under the average flow level

从图8可以看出，在多年平均流量级下，1956～2001年相应流量变化不大，2002年开始相应水位逐年下降。

综合上述分析可知，梅港站1956～2001年水位流量关系曲线基本稳定，从2002年开始逐年右移。这是因为测验断面下游约500～1 000 m范围河段陆续出现无序采砂，河床逐年下切，河道纵比降增大，2011年以后采砂范围到了断面上下游200 m，采砂船只增多。受此影响，水位流量关系增大更为明显。

4 结 论

通过对梅港水文站历年实测断面图、断面面积、断面深泓点高程、河底平均高程及历年水位流量关系分析，得出如下结论。

(1) 以2012年为分界点，2012年以前该河段河床相对稳定，冲淤交替。受采砂影响，2012年开始断面面积、河底高程、断面深泓点变化明显。

(2) 1956～2001年水位流量关系曲线基本呈复杂多值关系。从2002年开始，因河道采砂逐年冲刷影响，在多年平均轴线下水位流量关系逐年右移。

(3) 受河道采砂等人类活动影响，河床总体呈下切趋势，该站控制条件发生了相应变化，水位流量关系呈趋势性变化，表现为同水位下的流量以增大趋势为主，2012年开始测验断面上下游采砂现象更为严重，致使水位流量关系增大明显。由此可知，人类活动对水位流量关系的影响较为深远。