浐河水沙变化特性及橡胶坝库区水面线研究

李洋洋, 周维博, 白洁芳

(1.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安 710054; 2.长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 710054)



浐河水沙变化特性及橡胶坝库区水面线研究

李洋洋1,2, 周维博1,2, 白洁芳1,2

(1.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安 710054; 2.长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 710054)

在自然因素和人为因素的综合作用下,浐河流域的来水、来沙特性发生了一定的变化。通过分析浐河流域1960—2012年共53 a的水沙资料,掌握了浐河流域的水沙特征及水沙关系。结果表明:浐河流域多年径流量和输沙量年际分配极不均匀,水沙系列总体下降趋势明显。流域径流量与输沙量呈正相关关系,径流输沙主要集中在每年7月。人类活动通过改变流域下垫面情况,作用于水沙关系,使得水沙双累积曲线在1979年和2003年发生了改变。此外,选择橡胶坝的两种典型工况,得出立坝时的水面线较塌坝时的水面线平稳,塌坝时的水流发生了水跃现象。

浐河流域;径流量;输沙量;双累积曲线;水面线

浐河流域是灞河的一级支流,其水沙变化是多种自然因素和人为因素综合作用的结果。许多学者研究了灞河流域的水沙特点。如魏炳乾等[1]分析了灞河50 a的水沙资料,得出人类活动和气候变化是导致灞河水沙变化的主要因素;赵建春等[2]根据灞河上游的水沙特点,分析了灞河橡胶坝库区的入库丰水丰沙、平水平沙和枯水枯沙的代表系列。目前针对浐河流域的分析较少,且已有的研究资料主要集中在2005年以前,受数据序列长度的影响,这些研究成果很难反映浐河流域近期的水沙变化特点。近年来,浐河上游的水沙变化出现了新特点,将对浐河下游橡胶坝库区的水沙运动产生重要影响。鉴于此,笔者以监测资料为基础,对浐河流域水沙变化的特点及变化趋势进行了分析,同时对浐河下游橡胶坝库区的水面线进行了初步研究。

1 研究区域概况

浐河发源于蓝田县西南秦岭北坡汤峪乡,由汤峪河、岱峪河、库峪河三源组成,在出峪后约3.5 km处汇流,称为浐河,如图1所示。

图1 浐河流域

浐河全长64 km,流域面积760 km2,河床平均比降8.9‰,下游平均比降1‰～2.2‰,河道宽度为35～120 m。浐河流域属温带大陆性季风气候,多年平均气温13.3 ℃,多年平均降水量744.7 mm。浐河自雁塔区与长安区交界的下游1 km处至灞河入渭河交界处上游,共规划建设12座橡胶坝:浐河雁塔区的1#—6#橡胶坝,浐河市区的1#—4#橡胶坝,浐河与灞河交汇区的A#、B#橡胶坝[3]。

2 水沙特性分析

由于浐河流域缺乏连续长系列的水文资料,因此，其历年径流量资料可由马渡王水文站比拟得到,泥沙资料则应用经验公式对马渡王水文站的泥沙资料进行修正得到。

2.1 水沙通量变化趋势

浐河流域1960—2012年的年径流量和年输沙量的变化过程如图2所示。浐河流域多年平均径流量为2.22亿m3,年径流量最大值为5.01亿m3(1964年),最小值为0.5亿m3(1995年),分别为多年平均径流量的2.26倍和0.23倍。多年平均输沙量为104.23万t,年输沙量最大值为592.94万t(1962年),最小值仅为4.15万t(1997年),分别为多年平均输沙量的5.69倍和0.04倍。可见浐河流域的径流量和输沙量的年际分配都极不均匀;年径流量和年输沙量的总体变化规律基本一致,即大水大沙、小水小沙。

图2 浐河流域年径流量和年输沙量的变化过程(1960—2012年)

2.2 水沙年内分配过程

浐河流域的多年平均月径流量和月输沙量的变化过程如图3所示。

图3 浐河流域多年平均月径流量和月输沙量的变化过程

浐河的径流量集中在7—10月,约占全年径流量的60%。这是因为浐河流域属温带大陆性季风气候,降雨集中在夏季,即汛期的连续4个月内。浐河的输沙量集中在6—9月,约占全年输沙量的70%,说明浐河流域的输沙量也呈现集中分布的特点。这是由于浐河上游的降雨量较多,且多为暴雨,暴雨在山区和丘陵地区形成泥石流,泥石流输沙能力很强,因此在这段时间内输沙量急剧增加[4]。

2.3 水沙关系分析

浐河流域实测的年径流量与年输沙量的相关关系如图4所示,R2达到了0.54,说明浐河的年径流量与年输沙量呈现良好的乘幂相关关系[5]。

Qs=λQα。

(1)

式中:Qs为年输沙量;Q为年径流量;λ为系数;α为幂指数。

图4 浐河流域年径流量与年输沙量的相关关系

由图4的双对数回归曲线可以看出,式(1)中的系数λ为双对数曲线的截距。λ越大,表明年径流量所对应的年输沙量也就越大;λ越小,表明年径流量所对应的年输沙量也就越小。幂指数α为双对数曲线的斜率,表示在年径流量变化相同的情形下年输沙量的变化幅度。α越大,年输沙量的变化幅度越大;α越小,年输沙量的变化幅度也就越小[6-7]。经回归分析可以得出,浐河流域年输沙量的总体减少趋势来源于年径流量的减少。

流域的水沙特性如果发生趋势性变化,在其水沙双累积曲线图上将会发生明显的转折,即累积曲线的斜率变大或变小。浐河流域径流量和输沙量的双累积曲线如图5所示。

图5 浐河流域径流量与输沙量的双累积曲线

由图5可知,双累积曲线的2个转折点分别为1979年和2003年。因此,可以将浐河流域分为3个时期:1960—1978年、1979—2002年、2003—2012年。第3个时期的相关性明显低于前2个时期的,说明从第3个时期开始,人为因素对输沙量的影响迅速增强。

浐河流域在3个时期的平均径流量和平均输沙量的演变情况见表1。

表1 浐河流域平均径流量及平均输沙量在不同时期的演变情况

从表1中可以看出,与20世纪80、90年代相比,尽管21世纪的产流能力有所提高,但输沙量仍在继续减少。

2.4 水沙变化原因分析

流域侵蚀产沙和泥沙输移的影响因素可分为自然和人为两个方面。自然因素主要有土壤组成、地势地貌形态、植物覆盖、气候等。人为因素则包括水土保持措施、水库拦沙、流域调水调沙及引水引沙、河道采沙等[8]。在以上影响因素中,地势地貌形态、土壤和植被等相对比较稳定,对不同时间侵蚀产沙量的变化影响较小;气候变化和人为因素通常具有不同时间尺度的周期性,是流域侵蚀产沙和泥沙输移的主要影响因素。

近年来,浐河流域的来水来沙量下降趋势明显,而径流量与输沙量则呈正相关,具有同源性,说明浐河流域来水量的变化是导致来沙量变化的重要原因。1979年，浐河水沙双累积曲线第一次出现转折,这是由于20世纪80年代浐河属于平水平沙期,而90年代后属于枯水枯沙期,降雨量开始减少,导致径流量减少,输沙量也随之减少。进入21世纪,尽管产流能力稍有回升,但由于浐河流域从2001年开始修建橡胶坝蓄水工程,导致橡胶坝上游壅水,挟沙力减弱,且在河道两岸布置了防护绿地,遏制了水土流失,浐河的输沙量亦继续减少。

3 浐河橡胶坝库区水面线计算

选择浐灞河交汇区浐河B#橡胶坝库区,该橡胶坝位于浐河赵村桥上游150 m处,坝底板高程383.5 m,坝高3 m,单跨宽70 m,回水长度1.5 km,长度与河道宽相同,为74.7 m。汛期(6月1日—9月30日)洪峰流量为635 m3/s,非汛期(10月1日至次年5月31日)洪峰流量为160 m3/s。采用汛期塌坝泄洪、非汛期立坝蓄水的运行方式。

根据《橡胶坝工程技术规范》(GB/T 50974—2014)可知,可以用堰流基本公式计算橡胶坝的泄洪能力。塌坝为汛期运行方式,可以将其视为宽顶堰,其流量系数m=0.33～0.36,这里取0.36。立坝为非汛期运行方式,可以将其当作曲线型实用堰来计算,流量系数m=0.36～0.45,这里取0.4。在推算水面线前需先选择2个控制断面:一个选择在坝区下游,即橡胶坝坝址处;另一个选择在坝区上游,即上一座橡胶坝洪水下泄后的收缩断面。

3.1 塌坝工况坝区水面线研究

根据橡胶坝蓄水工程设计,塌坝为汛期运行方式,设计洪峰流量为635 m3/s。

3.1.1 下游控制断面水深计算

由于阻水作用,下游断面将产生壅水,壅水高度采用堰流公式计算[9]:

(2)

式中:Q为过坝流量,m3/s;B为溢流断面平均宽度,m;H0为计入行近流速水头的堰顶水头,m;m为流量系数,取值0.36;σ为淹没系数,因属自由出流,故σ=1;ε为堰流侧收缩系数;因无侧收缩,故ε=1。

经计算，坝顶水头H0=3.04 m,坝前平均流速为2.5 m/s,最大壅水高度为控制断面水深h=3.02 m。

3.1.2 上游控制断面水深计算

库区上游控制断面水深为上一座橡胶坝洪水下泄后的收缩断面水深,上一座橡胶坝的水力计算方法与本坝区橡胶坝相同,其坝后收缩断面水深采用下式计算[10]:

(3)

式中:E0为从下游底板算起的上游水头,E0=P+H0,m;P为坝基与下游河道底板高差,m;H0为坝顶以上总水头,m;q为过坝单宽流量,m2/s;hc为收缩水深,m;ψ为流量系数,取ψ=0.9。

计算得上游控制水深即收缩水深hc=1.5 m,平均流速为4.71 m/s。

3.1.3 水面线定性分析

3.1.4 水面线推算

因为上游控制断面2.5

(4)

水跃长度计算公式为[10]:

L=10.3h1(Fr-1)0.81。

(5)

式中:h1、h2分别为跃前、跃后水深,m;L为水跃长度,m。经计算，跃后水深h2=1.9 m,水跃长度L=6 m。

在相邻断面之间建立方程,采用逐段试算法从下游往上游进行水面线推算，计算公式为[11]:

(6)

已设下游最大壅水高度位置为控制断面,其水深h1=3.02 m。假设一系列的上游断面水深,应用上式逐段向上推算,即可求得各相应流段的长度Δs,最终推至上游控制断面。

3.2 立坝工况坝区水面线计算

立坝为非汛期运行方式,设计洪峰流量为160 m3/s,控制断面的选择与塌坝运行方式一样。汛期与非汛期水力计算大致相同,仅是流量由635 m3/s变为160 m3/s,其计算过程不再赘述。

3.3 计算结果

根据设定条件,分别计算了浐河B#橡胶坝库区塌坝和立坝2种工况的水面线,如图6所示。

图6 浐河B#橡胶坝库区水面线

从图6中可以看出：橡胶坝塌坝时的水面线在距上游控制断面822 m时,发生了一段长度约6 m的水跃；立坝的水面线则较平稳,由上游至下游,缓慢地下降,没有发生水跃或水跌现象。

4 结语

通过对浐河流域1960—2012年水沙资料的分析及对橡胶坝运行方式的研究,得出以下结论:

1)受降水集中分布的影响,浐河流域水沙年内分配不均匀。径流量的60%集中在汛期(7—10月);输沙量主要集中在6—9月,约占全年输沙量的90%。浐河流域汛期与多沙期不同步,多沙期比汛期稍提前。

2)浐河流域的径流量与输沙量呈良好的乘幂关系(Qs=λQα),幂指数达到1.678。其水沙双累积曲线分别在1979年和2003年发生转折,说明从1979年开始,人类活动开始改变了浐河流域下垫面条件,使得水沙关系发生了改变,且从2003年开始,人类活动对水沙的影响日益强烈,流域内水利工程的建设开始取得成效。

3)重点分析了完全塌坝和完全立坝两种典型的工况,没有考虑其他可能工况。由于水跃水流紊乱、复杂,不同工况下水跃发生的位置也不同,因此还应通过模型试验来校核计算成果。流域水沙特性受多种因素的影响,深入分析水沙变化特性对下游库区水面线的影响,是需要进一步研究的问题。

[1]魏炳乾,杨川,石忠科,等.灞河水沙特性变化分析[J].水资源与水工程学报,2008,19(2):38-40.

[2]赵建春,王新宏,李九发,等.灞河流域水沙特性研究[J].人民黄河,2008,30(4):20-22.

[3]杨川.灞河橡胶坝库区淤满年限及浐河河道演变分析[D].西安：西安理工大学，2009：12-13.

[4]孟兴无.灞河年径流及年输沙的形成条件与特征[J].陕西水利,2001(增刊2):79-81.

[5]史红玲,胡春宏,王延贵,等.淮河流域水沙变化趋势及其成因分析[J].水利学报,2012,43(5):571-579.

[6]刘亚,李义天,孙昭华,等.荆江河段水沙条件与主流线特征关系研究[J].水利水运工程学报,2011(2):77-83.

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[8]简世勋.红河流域大东勇水文站水沙特性分析[C]∥云南省水利学会2015年度学术年会论文集.2015.

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[10]李江海.山区河道橡胶坝群蓄水工程水面线计算方法浅析[J].水利建设与管理,2015,35(4):33-35.

[11]黄朝煊.梯形渠道恒定渐变流水面线计算的新解析法[J].长江科学院院报,2012,29(11):46-49.

(责任编辑：陈海涛)

Study on Runoff and Sediment Changing Characteristics and Water Surface Profile for the Reservoir Area of Rubber Dam in Chanhe River

LI Yangyang1,2, ZHOU Weibo1,2, BAI Jiefang1,2

(1.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas of Ministry of Education,Chang′an University, Xi′an 710054, China; 2.College of Environmental Science and Engineering, Chang′an University, Xi′an 710054, China)

By integrated influences of natural and human factors, some changes of runoff and sediment characteristics occurred in the Chanhe River basin. By analyzing the data of runoff and sediment for total 53 years from 1960 to 2012, we mastered the characteristics and relationships of runoff and sediment in the Chanhe River basin. The results show that the inter-annual distribution of runoff and sediment is asymmetrical for many years in the Chanhe River basin, the series of runoff and sediment is an obvious downward trend. The relationships between runoff and sediment is positively correlated, sediment transported by runoff mainly concentrates in July each year. Human activities impact on the relationship between runoff and sediment by changing the underlying conditions of the basin, this is the reason why the double cumulative curves of runoff and sediment appeared change in 1979 and 2003. In addition, two typical working conditions of rubber dam were selected to analyze the water surface, it is concluded that the water surface profile of filled dam was more stable than that of collapsed dam, hydraulic jump phenomenon occurred when dam collapsed.

Chanhe River basin; runoff; sediment; double cumulative curve; water surface profile

2016-10-27

中国地质调查局地质调查项目(12120113004800)。

李洋洋(1993—),男,河南信阳人,硕士研究生,从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:476951957@qq.com。

周维博(1956—),男,陕西乾县人,教授,博导,博士,从事水资源与水环境及节水灌溉方面的研究。E-mail:zwbzyz823@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.013

TV145+.3

A

1002-5634(2017)03-0082-05