信江梅港水文站水位流量變化特征研究

韓建軍，蔣志兵，程麗華，鄭峰濤，羅星星

(1.信江饒河水文水資源監(jiān)測中心，江西 上饒 334000； 2.江西省水利發(fā)展研究中心，江西 南昌 330029)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和人類活動的加劇，水資源運(yùn)動變化規(guī)律發(fā)生了較大變化，洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水環(huán)境惡化、水土流失等更加頻繁，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，興水利、除水害，保護(hù)利用好水資源和水生態(tài)環(huán)境，是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。

近年來，人類活動對河道的影響主要表現(xiàn)為改變流域植被覆蓋、興修水利工程、城市化、河道采砂等，使河流水文要素特性不斷發(fā)生變化。因此，應(yīng)及時(shí)了解掌握河流水文要素變化規(guī)律，分析對水文特征的影響程度，探求水位流量關(guān)系變化趨勢。曾倩倩等[1]對渣津水文站測流斷面變化及水位流量關(guān)系進(jìn)行了分析，探求渣津水文站流量測驗(yàn)現(xiàn)狀及歷年變化情況，為進(jìn)一步提高流量測驗(yàn)精準(zhǔn)度提供了參考。劉同宦等[2]通過分析鄱陽湖五河入湖水沙通量及典型斷面形態(tài)變化特性，表明水利樞紐工程、水土保持工程和人工采砂是影響五河入湖泥沙通量和河道形態(tài)的主要人為因素。施修端等[3]對城陵磯站水沙及水位流量關(guān)系變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該站斷面年際變化呈淤積狀態(tài)，從1988年起出現(xiàn)沖刷趨勢，水位流量關(guān)系歷年變化，同水位下高、中、低水泄洪能力均呈減小趨勢，同流量下低、中水水位均有不同程度的抬高，高水變化趨小。葉忠偉[4]采用水位流量關(guān)系曲線的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例模型的建立和參數(shù)擬合，得出關(guān)系曲線擬合方程，利用函數(shù)關(guān)系對流量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動計(jì)算。趙軍凱等[5]通過分析人類活動對鄱陽湖水位變化的影響，顯示長江干流上游水庫群調(diào)節(jié)對鄱陽湖水位影響存在時(shí)空差異，人工采砂活動對鄱陽湖水位的影響在枯季(尤其是冬季)影響更明顯。

水文事件具有隨機(jī)性和不確定性，同時(shí)，隨著人類活動的多樣性和復(fù)雜性日益增加，如何建立多因素影響下的水位流量關(guān)系模型仍是一個(gè)難題。本文以江西信江流域控制站梅港水文站為研究對象，對該站水位、流量、大斷面等各項(xiàng)水文資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探求導(dǎo)致水位流量關(guān)系變化的成因，分析對水文特征的影響程度及其變化特征。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河道概況

信江發(fā)源于江西省玉山縣境懷玉山的玉京峰[6-7]，上饒市信州區(qū)以上稱為玉山水，豐溪河匯入后始稱信江。干流自東向西蜿蜒而下，橫貫江西省東北部，在余干縣大溪渡分為東西兩支，于珠湖山、瑞洪注入鄱陽湖。信江干流上已建水利樞紐(閘壩)主要有信州水利樞紐、弋陽紅旗閘壩樞紐、九牛灘水輪泵站樞紐、界牌航電樞紐、信江八字嘴航電樞紐等工程。

1.2 測站概況

梅港水文站于1952年4月設(shè)立[8]，為信江流域控制站，控制流域面積15 535 km2，觀測項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、水溫、水質(zhì)等，測站在流域所處位置見圖1。建站以來實(shí)測最高水位29.84 m(1998年)，最低水位15.78 m(2019年)；實(shí)測最大流量13 800 m3/s(2010年)，最小流量4.14 m3/s(1997年)。

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

測驗(yàn)河段較順直，上、下游有彎道，河槽呈W形，河床由巖石、細(xì)沙、淤泥組成，左岸為巖石，右岸為圩堤。斷面上游約23 km處界牌航運(yùn)樞紐工程對該站枯水測驗(yàn)影響較大。上游約300 m處有一小溪匯入。下游約160 m處左岸有石山礬頭，高水時(shí)有回流現(xiàn)象，對岸邊部分流量測驗(yàn)有一定影響。當(dāng)水位在22.50 m以上時(shí)，下游約800 m處有一中心洲，將水流分成左右兩支，主流在右支。

2 斷面沖淤變化分析

采用梅港站1965～2020年連續(xù)56 a汛前實(shí)測大斷面資料，通過對歷年汛前實(shí)測斷面、水位面積關(guān)系曲線、同水位級下斷面面積變化、平均河底高程、深泓點(diǎn)高程和深泓位置進(jìn)行對比分析，研究測站斷面形態(tài)變化情況。

2.1 斷面變化分析

點(diǎn)繪研究時(shí)段內(nèi)梅港水文站測流斷面形態(tài)的年際變化，見圖2。從圖2可知：1965～2011年斷面較穩(wěn)定，受1998年洪水影響，斷面局部略有沖淤交替(1999～2011年)，無明顯變化。2012年開始斷面變化較大，主要是受河道采砂影響。

圖2 梅港站大斷面年際變化Fig.2 Annual change of large section of Meigang Station

2.2 特定水位級下過水面積分析

根據(jù)實(shí)測斷面資料，計(jì)算出歷年各水位級斷面面積，點(diǎn)繪1965～2020年歷年水位面積曲線變化圖，見圖3。分析統(tǒng)計(jì)梅港水文站低、中、高水位分別為19.00，22.00 m和25.00 m，低、中、高水位級面積年際變化值及累積變化值(按逢0逢5年份統(tǒng)計(jì))見表1。

圖3 梅港站水位面積關(guān)系年際變化Fig.3 Annual change of the relationship between water level and area at Meigang Station

表1 梅港站同水位級面積年際變化值及累積變化值Tab.1 Inter-annual and cumulative changes of Meigang Station’s area at the same water level

從圖3和表1可以看出：1965～2020年低、中、高水位級下過水面積累積增加了1 548，1 530 m2和1 550 m2，面積增大明顯，在分析時(shí)期內(nèi)，斷面處于沖刷狀態(tài)。特別是2012年開始，斷面主河槽呈明顯下切趨勢，低水位級下切趨勢更突出。2012年低、中、高水位級下的過水面積累積分別增加了478，470 m2和510 m2。

2.3 深泓位置分析

統(tǒng)計(jì)多年平均水位19.08 m下深泓點(diǎn)的橫向距離，繪制其歷年深泓位置擺動趨勢，見圖4。由圖4可知，梅港水文站1965～2011年深泓點(diǎn)位置在距起點(diǎn)距107 m處左右擺動；2011年以后，深泓點(diǎn)位置擺動到距起點(diǎn)距192 m處，橫向擺動較大，達(dá)85 m。

圖4 梅港站歷年深泓位置擺動趨勢Fig.4 Trend of thalweg swing at Meigang Station over the years

2.4 平均河底高程和深泓點(diǎn)高程分析

統(tǒng)計(jì)多年平均水位19.08 m下1965～2020年(以5 a為間隔)平均河底高程和深泓點(diǎn)高程，見表2。繪制歷年平均河底高程和深泓點(diǎn)高程變化過程線，見圖5。

3.3 低學(xué)歷者是社會支持的弱勢人群 本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，文化層次低者客觀支持、主觀支持均較高，而利用度低;而文化層次高者客觀支持、主管支持均較低，而利用度高?？梢岳斫鉃槲幕潭炔桓哒?，對疾病知識匱乏，日常護(hù)理中很難采取正確的應(yīng)對機(jī)制，或遇到問題束手無策，更不會主動尋求周邊資源的幫助，容易產(chǎn)生負(fù)面情緒。醫(yī)護(hù)人員應(yīng)發(fā)揮專業(yè)角色的作用，加強(qiáng)對此類人群的干預(yù)，以提高他們的社會支持度。

表2 梅港站平均河底高程、深泓點(diǎn)高程年際變化及累積變化值Tab.2 The average river bottom elevation，interannual change and cumulative change value of thalweg elevation at Meigang Station m

圖5 梅港站歷年平均河底高程及深泓點(diǎn)高程變化Fig.5 Change of average river bottom elevation and thalweg of Meigang Station over the years

由圖5和表2可知，2010年以前歷年平均河底高程年際變化在0.20 m以內(nèi)，2010年深泓點(diǎn)高程累積變化0.27 m。從圖5可以看出，歷年平均河底高程呈周期性變化，周期約為10 a；1990年以前斷面最低點(diǎn)較穩(wěn)定，1990年后變化較頻繁。通過上述分析可知，2011年前梅港站斷面穩(wěn)定，沖淤變化小，斷面沖淤呈波浪形變化，受1998年洪水影響斷面局部沖刷，2011年以后斷面受采砂影響，平均河底高程驟降0.97 m。至2020年斷面平均高程累積下切3.66 m，深泓點(diǎn)累積下降4.49 m。

3 水位流量關(guān)系變化分析

梅港站水位流量關(guān)系主要受斷面變化、洪水漲落、界牌航電樞紐工程及鄱陽湖回水頂托影響，水位流量關(guān)系低水為臨時(shí)曲線，中高水為繩套曲線。根據(jù)梅港站1956～2020年共65 a歷年實(shí)測水位、流量資料，以模擬水位與實(shí)測水位的離差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)，利用Excel規(guī)劃求解功能對歷年實(shí)測數(shù)據(jù)擬合，確定歷年水位流量關(guān)系曲線，見圖6。從圖6可以看出，1956～2001年水位流量關(guān)系曲線基本穩(wěn)定，2002年開始逐年右移，相同水位下，流量變大。

圖6 梅港站歷年水位流量關(guān)系線Fig.6 The relationship between water level and flow of Meigang Station over the years

3.1 同水位級下流量變化分析

(1) 相同水位下流量變化分析。根據(jù)每年水位流量關(guān)系曲線，分析統(tǒng)計(jì)梅港站低(19.00 m)、中(22.00 m)、高(25.00 m)水位下的流量，各水位級對應(yīng)最大、最小流量值見表3。低、中、高水位級流量年際變化值、累積變化值及相對誤差(按逢0逢5年份統(tǒng)計(jì))見表4。梅港站1956～2001年水位流量關(guān)系曲線基本穩(wěn)定，2002年開始流量逐年慢慢變大，至2012年變大明顯，低、中、高變化值分別為419，636 m3/s和679 m3/s，相對誤差分別為117%，30.4%和13.8%。

表3 梅港站同水位級下最大最小流量值統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of the maximum and minimum flow under the same water level at Meigang Station

表4 梅港站同水位級下代表年流量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of flow values under the same water level at Meigang Station

從表3～4可以看出，高、中、低水位級對應(yīng)的最大流量與最小值倍比為1.5～3.8倍之間。低、中、高水位級下流量累積增大值分別為839，1 397 m3/s和1 620 m3/s，累積年均變率為4.20%，1.14%，0.54%。相對誤差分別為242%，69.3%，33.8%，水位越高，相對誤差越小，以相對于1956～2001年流量均值的相對誤差絕對值作為收斂值，各水位級收斂值基本都在10%以內(nèi)，水位越高，水位流量關(guān)系越穩(wěn)定，收斂程度越集中。

(2) 多年平均水位級下流量變化分析。梅港水文站多年平均水位為19.08 m，根據(jù)歷年水位流量關(guān)系曲線推求其流量值，均值采用1956～2001年多年平均水位對應(yīng)的流量求得，多年平均水位級下流量變化趨勢見圖7。

從圖7可以看出，在多年平均水位級下，1956～2001年相應(yīng)流量基本穩(wěn)定，2002年開始相應(yīng)流量逐年變大。

圖7 梅港站多年平均水位級下流量變化過程線Fig.7 Flow variation process at Meigang Station under the average water level

3.2 同流量級下水位變化分析

(1) 相同流量的水位變化分析。根據(jù)每年的水位流量關(guān)系曲線，本次分析因各年份出現(xiàn)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作為代表流量，按各代表流量統(tǒng)計(jì)水位，相應(yīng)最高最低水位見表5。統(tǒng)計(jì)各代表流量相應(yīng)水位變化見表6。

表5 梅港站同流量級下最高最低水位值統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of the highest and lowest water level values under the same flow level at Meigang Station

表6 梅港站同流量級下代表年水位統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistics of water level of the representative year under the same flow level of Meigang Station

從表5，6可以看出，1 000 m3/s流量級最高與最低水位差值為1.90 m，水位多年累積下降1.78 m，累積年均變化-0.03 m，相對誤差-8.33%；3 000 m3/s流量級最高與最低水位差值為1.86 m，水位多年累積下降1.66 m，累積年均變化-0.03 m，相對誤差-6.98%；5 000 m3/s流量級最高與最低水位差值為1.90 m，水位多年累積下降1.49 m，累計(jì)年均變化-0.02 m，相對誤差-5.80%。

(2) 多年平均流量級下水位變化分析。梅港水文站多年平均流量為568 m3/s，根據(jù)該站歷年水位流量關(guān)系曲線反查其水位值，采用1956～2001年多年平均流量對應(yīng)的水位計(jì)算均值，多年平均流量級下水位變化趨勢見圖8。

圖8 梅港站多年平均流量級下水位變化過程線Fig.8 Water level change process of Meigang Station under the average flow level

從圖8可以看出，在多年平均流量級下，1956～2001年相應(yīng)流量變化不大，2002年開始相應(yīng)水位逐年下降。

綜合上述分析可知，梅港站1956～2001年水位流量關(guān)系曲線基本穩(wěn)定，從2002年開始逐年右移。這是因?yàn)闇y驗(yàn)斷面下游約500～1 000 m范圍河段陸續(xù)出現(xiàn)無序采砂，河床逐年下切，河道縱比降增大，2011年以后采砂范圍到了斷面上下游200 m，采砂船只增多。受此影響，水位流量關(guān)系增大更為明顯。

4 結(jié) 論

通過對梅港水文站歷年實(shí)測斷面圖、斷面面積、斷面深泓點(diǎn)高程、河底平均高程及歷年水位流量關(guān)系分析，得出如下結(jié)論。

(1) 以2012年為分界點(diǎn)，2012年以前該河段河床相對穩(wěn)定，沖淤交替。受采砂影響，2012年開始斷面面積、河底高程、斷面深泓點(diǎn)變化明顯。

(2) 1956～2001年水位流量關(guān)系曲線基本呈復(fù)雜多值關(guān)系。從2002年開始，因河道采砂逐年沖刷影響，在多年平均軸線下水位流量關(guān)系逐年右移。

(3) 受河道采砂等人類活動影響，河床總體呈下切趨勢，該站控制條件發(fā)生了相應(yīng)變化，水位流量關(guān)系呈趨勢性變化，表現(xiàn)為同水位下的流量以增大趨勢為主，2012年開始測驗(yàn)斷面上下游采砂現(xiàn)象更為嚴(yán)重，致使水位流量關(guān)系增大明顯。由此可知，人類活動對水位流量關(guān)系的影響較為深遠(yuǎn)。