昌馬河昌馬堡水文站懸移質(zhì)泥沙測驗方式轉(zhuǎn)變分析

岳燕琴，蔣 憬，張文春

(甘肅省酒泉水文站，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

1 流域概況

1.1 自然地理

疏勒河水系位于祁連山脈西部崗格爾肖合力嶺之中,全河長670 km，是內(nèi)陸河主要的大河水文站，流經(jīng)甘肅省河西走廊西部肅北縣、玉門市、敦煌市，最后與疏勒河最大支流黨河匯合后流入哈拉湖。疏勒河自上而下設(shè)有昌馬堡、潘家莊、雙塔堡水庫等水文站。

1.2 測站概況

昌馬堡水文站始建于1944年4月，是疏勒河水系干流上游的重要控制站，距河源270 km，測站海拔高程為2 112 m。地理位置于玉門市昌馬鄉(xiāng)境內(nèi)東經(jīng)96°51′32″,北緯39°49′19″之間，本站以上集水面積為10 961 km2，屬疏勒河上游出山口控制站，國家重要水文站、中央報汛站和國家水質(zhì)監(jiān)測站，承擔(dān)著向中央防汛辦、甘肅省防辦、酒泉市防辦報汛的任務(wù)，為疏勒河下游昌馬水庫和雙塔堡水庫調(diào)度、防汛抗旱服務(wù)發(fā)揮著十分重要作用，也為區(qū)域國民經(jīng)濟(jì)社會、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展等提供科學(xué)準(zhǔn)確、可持續(xù)的水文信息資料支撐。

1.3 氣候特征

流域氣候特點(diǎn)較復(fù)雜，上游海拔在3 000 m以上，中游海拔在2 000 m左右，下游海拔1 300～1 700 m之間。昌馬堡水文站地處河流中游荒漠戈壁，晝夜溫差大，四季分明，年降水量少，多年平均降水量為95.6 mm，多集中在6-9月，約占年降水總量的80%左右，多年平均蒸發(fā)量1 858.1mm，多年平均氣溫為5.5℃，屬于典型的大陸性氣候。

2 泥沙測驗情況

本站泥沙測驗任務(wù)是懸移質(zhì)泥沙測驗即懸移質(zhì)單位水樣含沙量(簡稱單沙)和斷面平均含沙量(簡稱斷沙)的測驗。

2.1 單沙測驗

單沙測驗儀器為懸索懸吊橫式采樣器，測驗方法為固定一線一點(diǎn)(0.5水深)法，水樣處理方法為置換法和過濾法。測驗的原則是汛期每日8、20時觀測，并視水沙變化情況隨時加測測次，以保證含沙量隨時變化過程。每年單位含沙量測次500～800次之間。

2.2 斷沙測驗

斷沙測驗依照流速儀測流斷面進(jìn)行，經(jīng)過水文斷面水流沙的測驗精簡分析后，選取具有代表性的測速測沙垂線，將它們相對固定下來，作為取沙垂線，取樣方法與單沙類同。斷沙測次根據(jù)測站特性和泥沙分布情況，年輸沙率測驗一般為10～25次，并視每場洪水過程沙情變化情況斷沙測次不少于3次，以控制全年沙情變化為原則，汛期測次分布較多，非汛期測次較少。

3 年際水沙關(guān)系

3.1 年內(nèi)水沙分布情況

自建站以來，累計泥沙測驗資料60 a。經(jīng)多年系列資料分析，昌馬堡水文站徑流量及輸沙量年內(nèi)分配關(guān)系表現(xiàn)一致，但含沙量年內(nèi)分布極不均勻，主要集中分布在汛期6-9月，占年輸沙量的90%，10月至次年3月間河道流量小，挾沙能力也弱。最大年輸沙量為1 500萬 t，最小年輸沙量為24.1萬 t，Cv值1.01。如圖1昌馬堡站徑流量及輸沙量年內(nèi)分配關(guān)系所示。

圖1 昌馬堡站徑流量及輸沙量年內(nèi)分配關(guān)系

3.2 年際水沙變化情況

依據(jù)相關(guān)系列資料，分別點(diǎn)繪多年徑流量和多年輸沙量過程線圖。如圖2昌馬堡站多年徑流量及輸沙量年際過程線所示。

從多年徑流量和多年輸沙量過程線可知：年水沙關(guān)系比較密切，年徑流量大的年份，對應(yīng)的年輸沙量也大；經(jīng)進(jìn)一步的分析，2000年以后水沙關(guān)系密切且一致性也非常好，但2000年以前系列與后系列同級別的徑流量所挾帶的泥沙量有所減少，如1972年徑流量為13.99億 m3，年輸沙量為880萬 t，與同級別徑流量2004年徑流量為14.10 m3，年輸沙量為379萬 t相比較有明顯減少。

從年輸沙量線性方程斜率分析：1956-2020年方程為y=3.953x-7 512，R2=0.09；2000-2020年方程為y=-8.242x+17 040，R2=0.027；由方程知，k1>k2，且k2<0,說明2000年輸沙量在遞減。

圖2 昌馬堡站多年徑流量及輸沙量年際過程線

4 泥沙測驗方式改變可行性分析

4.1 單～斷沙關(guān)系曲線分析

本站歷年單斷關(guān)系線系列比較長，2008年以前泥沙因上游修建水利工程受到影響，所以采用2008-2015年單～斷沙關(guān)系實測成果進(jìn)行分析， 按單～斷沙量級分為若干組，分別求出各組的相應(yīng)單沙以及斷沙的平均值,用各數(shù)據(jù)組平均值再點(diǎn)繪單～斷沙關(guān)系點(diǎn)，確定出多年綜合單～斷沙關(guān)系曲線(圖3)，并且各組點(diǎn)都在±15%的外包線之內(nèi)，最大點(diǎn)組偏離多年綜合單～斷沙關(guān)系曲線相對誤差小于±5%,單～斷沙關(guān)系曲線系數(shù)為1.024。

圖3 昌馬堡水文站多年單～斷沙關(guān)系綜合曲線

4.2 單～斷沙關(guān)系曲線誤差分析

經(jīng)誤差分析可知，各年節(jié)點(diǎn)相對誤差均小于±2%，多年平均相對誤差為-0.24%，均符合水文相關(guān)關(guān)系線定線要求；表1經(jīng)符號檢驗、適線檢驗及偏離數(shù)值檢驗三種檢驗均為合格，曲線通過點(diǎn)群中心，關(guān)系線標(biāo)準(zhǔn)差為1.7%，置信水平95%的相對隨機(jī)不確定度為3.4%，系統(tǒng)誤差為-0.20%，符合合并定線精度的要求。

通過單～斷沙關(guān)系多年綜合曲線分析，單～斷沙關(guān)系良好，近似呈為45°直線(見圖3)，直線斜率k=1.024，符合《水文巡測規(guī)范》(SL 195-2015)規(guī)定第4.2.5條之規(guī)定，以及相關(guān)河流懸移質(zhì)泥沙測驗的要求，可以實行間測或巡駐相結(jié)合的測驗方式監(jiān)測。

表1 昌馬堡水文站多年綜合單斷沙關(guān)系曲線檢驗表

4.3 非汛期年際輸沙量分析

由于2011年前后本站上游修建水庫和梯級電站，受工程影響低、枯水期1-4月及10-12月輸沙量與多年同期輸沙量的對照偏小，2010年之前輸沙量系列與其之后發(fā)生系統(tǒng)樣本差異，故采用2011-2020年非汛期資料進(jìn)行對照分析，見表2昌馬堡站非汛期輸沙量與年輸沙量的對照表。

從表2可知：受工程影響的各年輸沙量，每年非汛期占年輸沙量的百分比均小于多年平均年輸沙量的3%，且每年非汛期總輸沙量均未超9.90×104t，符合《水文巡測規(guī)范》(SL195-2015)規(guī)定第4.2.7條之規(guī)定，當(dāng)非汛期(1-4月及10-12月)累計輸沙量占多年平均輸沙量的百分比低于3%時，非汛期泥沙可以停測，停測期間的含沙量作零處理。

表2 昌馬堡站非汛期輸沙量與年輸沙量的對照表

4.4 泥沙測驗方式改變可行性分析

基于本站有泥沙長系列資料的積累、水利工程對輸沙量的影響以及單～斷沙關(guān)系曲線相關(guān)系數(shù)代表性顯著等因素情況，依照《河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范》和《水文巡測規(guī)范》(SL195-2015)的目的要求，昌馬堡水文站泥沙測驗方式可以實行轉(zhuǎn)變，即：汛期5-9月單沙駐測監(jiān)測，輸沙率可實行駐測或間測或巡測(審批)；非汛期1-4月及10-12月單沙和輸沙率停測，停測期間的含沙量(輸沙量)作零處理。

5 結(jié)語

綜上所述，對昌馬堡水文站歷年實測懸移質(zhì)輸沙率測驗資料計算分析得出如下結(jié)論：

(1)非汛期(1-4月及10-12月)河道受上游水利工程樞紐調(diào)蓄作用影響，下泄水量小且含沙量也很小，甚至清澈見底，非汛期各月輸沙量之和占比在3%以內(nèi)，滿足單沙及輸沙率測驗停測要求。

(2)輸沙率測驗主要分布在汛期中，通過輸沙率系列資料分析，單斷與斷沙關(guān)系良好，滿足輸沙率間測或巡測的要求。

(3)本站泥沙測驗方式轉(zhuǎn)變，符合當(dāng)前水文測驗改革形勢，對區(qū)域性水文站測驗項目合理精簡優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。