淮河中游鲁台子站水沙特性分析

童 猛

（阜阳水文水资源局颖水勘测队,安徽 阜阳 236000）

1 流域和测站概况

1.1 流域概况

淮河流域地处我国华中河南与华东地区苏皖,西起河南省桐伏牛山、柏山区,东临黄海,全长约1000 km,总落差约196 m,内以废黄河为界,淮河面积约19 万km2。王家坝以上至淮河源头河南省的桐柏山为淮河上游,落差达178 m,占淮河总落差200 m 的90%,河道比降为万分之五,上游坡陡水急,使王家坝遭受巨大的抗洪压力。王家坝以下至江苏的洪泽湖三河闸490 km 为淮河中游,落差仅16 m,河道狭窄弯曲,河道比降为万分之零点三,比降小,水流缓慢；中游有许多重要城市、工矿企业和交通大动脉,因此,确保淮河中游的安全,是淮河防汛抗洪的重中之重。三河闸以下至淮河入长江口的三江营146 km 为淮河下游,落差6 m,河道比降为万分之零点四。三河闸所在的洪泽湖由于黄河夺淮河多年泥沙淤积,湖底已经高于淮河河床底,并高于所在洪泽县地平1 m,形成“地上湖”,洪水越到下游越缓慢。因河沙淤积,支流增多、中游河道落差小,水流迟滞,每年5 月～9 月为淮河主汛期,主汛期淮河暴雨频繁。

淮河鲁台子段,地处淮河中游。淮河南岸主要支流淠河流域面积在6000 km2～7000 km2在本段汇入干流；淮河北岸沙颍河流域面积约3.7×104km2为淮河北岸最大的支流。淠和来沙颍河来水迅猛。

1.2 测站概况

鲁台子水文站位于安徽省凤台县鲁台子村,距下游河口294 km,汇入洪泽湖。鲁台子水文站于1920 年6 月至1922 年12 月由伪江淮测量局主办,1924 年4 月由伪全国水利局导淮测量处主办,1941 年～1944 年由伪安徽省政府主办,1947 年7月～1948 年12 月由伪淮河水利工程总局主办,1950 年5 月由前淮河水利工程总局复设为正阳关（鲁台子）二等站,1954 年改称鲁台子二等水文站,1980 年1 月水文体制上收,现隶属安徽省水文局管辖。鲁台子水文站是淮河中游重要控制站,距上游正阳关水文站10 km、润河集水文站70 km,距下游蚌埠闸水文站111 km,集水面积88630 km2。本站是国家重要水文站、一类精度站。测验项目有水位、流量、悬移质泥沙、降水量、地下水位、水质、水文调查等。

2 降水与蒸发

鲁台子水文站地处淮河中游,气候类型属于属暖温带季风气候,淮河流域主汛期5 月～9 月份易发生暴雨洪水灾害,淮南山区暴雨洪水主要集中在6 月份；7 月～9 月淮河全流域降雨增多,为灾害发生的主要时期；淮河中游鲁台子站汛期同时受东南沿海地区台风影响,暴雨增多。

经统计鲁台子站多年平均降雨量 897.8 mm,最大年降水量1458.5 mm（2003 年）,最小年降水量384.4 mm（1966 年）。年极值比为3.79 倍,降水量年际变化较大。随机选取鲁台子站2010 年、2012 年、2014 年、2018 年四年降雨量作为本次研究代表年份。由统计数据可以得到鲁台子站降水量主要集中在汛期 5 月～9 月,为年降水的 64%。其中7 月～9 月很降雨量为全年降雨量的40%,11 月、12 月、1 月、2 月四个月降水降雨仅占全年降水的16%,季节性差异较大,夏季雨水多,春、冬季雨水少。

自然条件下水面蒸发与该区域饱和水汽压有关,还与空气对流、风速、气压。湿度等气候条件有关[1]。经统计鲁台子水文站年均蒸发量1246 mm。本站采用E-601 蒸发皿进行观测,通过对多年蒸发观测资料的统计分析,本站蒸发量年内呈现出季节性变化且变化较大,冬季蒸发量最小12 月份开始逐渐增大,夏季蒸发量大,7 月～8 月份达到最大值,占全年蒸发约30%。经统计5 月～9 月份蒸发占全年蒸发量的57%,最小蒸发出现在2 月,仅占全年蒸发的3%,观测年份蒸发量统计。

3 径流

本站最大年径流量524.9 亿m3,最小年径流量34.93 亿m3,径流主要受上游来水控制,其次是降水补给。控制断面流量由上游颍河,临淮岗,淮河干流汇流组合而成。测验河段顺直,系复式断面,水位达22.00 m 以上即漫滩,右岸退堤于2001 年完成,左滩宽约80 m,右岸滩宽约550 m。河床土质为砂壤土,稍有冲淤变化。左岸有坍塌现象。右岸种有农作物,高水时阻水。流速仪测流断面在本站基本水尺断面下游 105 m 处,断面宽原为 610 m,退堤后现为 1030 m。上游12 km 处左岸有颍河汇入,18 km 处右岸有淠河汇入。鲁台子站上下游水利工程见表1。

表1 鲁台子站上下游水利工程情况一览表

从表2 可以看出,鲁台子站径流量年内分配不均,主要分布在主汛期5 月～9 月。

表2 观测年份月平均流量进行比对分析 单位：m3/s

4 泥沙

淮河中游鲁台子站测验断面泥沙主要来源流域侵蚀和河槽侵蚀,暴雨形成的地面径流对流域表面的土壤侵蚀和冲刷,造成水土流失,大量泥沙进入河道,泥沙的运动与其颗粒大小关系紧密,粗颗粒泥沙运动能力较弱会沿程积淀,细颗粒泥运动能力强被水流挟运至下游。

4.1 含沙量变化趋势

根据鲁台子水文站年实测含沙量资料进行统计,历年最小含沙量0 kg/m3历年最大含沙量17.2 kg/m3。汛期5 月～9 月鲁台子悬移质含沙量占全年悬移质含沙量的62%。2 月份悬移质含沙量最低仅占全年悬移质含沙量的4%,选取年份统计数据得出悬移质含沙量的和年径流量密切关联,径流大悬移质输沙率越大,主汛期年河道中径流量增大,悬移质含沙量也相应增大,汛期悬移质含沙量大于非汛期含沙量。鲁台子站左岸水深大流速快,悬移质含沙量大；右岸水深较浅,水流缓慢,悬移质含沙量小。

4.2 输沙量的年内变化

通过表3 可以发现,鲁台子站多年平均输沙量758.7×104t。经统计鲁台子站汛期5 月～9 月悬移质输沙率占全年悬移质输沙率的84%。1 月份悬移质输沙率最小仅占全年输沙率的1%。

表3 观测年份年月平均悬移质输沙率比对单位：kg/s

4.3 相关性分析

水文时间序列自相关性分析可以用来分析该序列是否具有随机性或具有趋势性[2-3]。相关系数r 的计算公式是：

式中：Cov（X,Y）为X,Y 的协方差,D（X）、D（Y）分别为X、Y 的方差。

若Y=a+bX,则有：令E（X）=μ,D（X）=σ。则E（Y）=bμ+a,D（Y）= bσ。

相关系数：0.8～1.0 极强相关；0.6～0.8 强相关；0.4～0.6中等程度相关；0.2～0.4 弱相关；0.0～0.2 极弱相关或无相关。

对于x、y 之间的相关系数r：当r 大于0 小于1 时表示x 和y 正相关关系。

当r 大于-1 小于0 时表示x 和y 负相关关系。

经计算年径流量和年悬移质输沙量相关系数r=0.752、0.791、0.782、0.801。

年悬移质含沙量和年悬移质输沙量相关系数r=0.802、0.826、0.763、0.839。

鲁台子站年径流量、年悬移质含沙量与年悬移质输沙量自相关性结果表明,年悬移质含沙量与年悬移质输沙量关系较强呈强相关关系[4-6]。年径流量与年悬移质输沙量呈强相关关系。因此,鲁台子站年径流量、年悬移质含沙量与年悬移质输沙量时间序列在较长时期的变化中不具有随机特性,而是表现出一定的趋势性和周期性。

5 结论

本文通过分析鲁台子水文站水沙特性变化规律,深入研究得出以下结论：

1）降雨量年内分配不均汛期5 月～9 月占比64%,年际变化较大。蒸发量呈季节性变化规律冬季较小,夏季较大。降雨量与悬移质输沙量关系不强。

2）年径流量与年悬移质输沙量自相关性分析结果表明,鲁台子年径流量越大,年悬移质输沙量越大。汛期5 月～9 月悬移质输沙量占全年悬移质输沙量比重较高占比达84%。

3）悬移质含沙量与悬移质输沙量自相关关系较强,悬移质含沙量越高输沙量越大。

4）由于上下游工程建设和闸门控制,鲁台子站悬移质输沙量逐年增大,悬移质含沙量降低,上游植被恢复较好。