黄河流域兴隆河水文要素监测的思考

2021-05-30赵凤霞王丽君牛正宇

甘肃科技 2021年6期

赵凤霞，王丽君，牛正宇

（甘肃省兰州水文水资源勘测局，甘肃兰州 730000）

1 流域概况

兴隆河是黄河一级支流宛川河左岸次支流，发源于祁连山山系东部延伸段——马啣山山脉，流域位于甘肃省榆中县南部，是榆中县城市用水主要水源地。流域上中游的兴隆山国家级自然森林保护区，是距兰州市最近的天然森林保护区，流域下游为黄土剥蚀地貌，植被稀少，多垦为农田。流域上中游属高寒半湿润性多雨气候，下游属于温带半干旱气候。位于西南部的马啣山山脉同时也是榆中、临洮两县的分水岭，山脊以南水量汇入洮河流域，以北水量汇入榆中境内，经宛川河支流汇入黄河。东北部以车道岭和北山丘陵沟壑区为分水岭，东北部分水量直接汇入黄河或定西境内，西南部分水量经宛川河支流汇入黄河。地貌由东南往西北部逐渐倾斜，地势逐渐降低，周围四面环山，形成典型的榆中盆地。兴隆河自兴隆峡出口处逐渐变宽，形成冲积扇平原，河床多为砂砾石组成，河段内坡降比较大，河床冲刷严重。

兴隆河自兴隆山以南4km（上庄乡红庄子村官磨滩社）处分为两条支流，左岸名为后沟河，集水区域涵盖榆中县马坡、银山两个乡镇，同时也是兴隆河主流；右岸名为红庄子河，主要积水区域为榆中县上庄乡；两条支流发源地均在马啣山山脉脚下，属地下水补给。主要来水量分布在6～9 月份，由局部暴雨形成，洪峰峰形尖瘦历时短，河床下切明显。

2 水文要素监测情况及洪水特征

榆中水文站主要任务是监测兴隆河水文要素演变规律。始建于1979 年6 月30 日，位于兰州市榆中县峡口村，地理位置：东经104。03′29.2"，北纬35。48′27.7"，集水面积83.4km2,至河口距离15.4km；属于小河站、暴雨径流试验站。2012 年8 月受当地截留饮水影响，上迁2.4km，更名为榆中（二）水文站。断面左岸是省道101 线，右岸是名园酒店，两岸均为浆砌石护岸；断面宽14.0m，中泓集中在1.8～8.0m；中断面处有混凝土便桥一座，中高水时有良好的控制作用。监测要素主要有水位、降水、水温、泥沙、流量以及地下水水位、水温、水质等。

1988 年5 月5 日测得建站以来最大洪峰流量161m3/s，多年平均流量0.222m3/s，经频率计算百年一遇洪峰流量为128m3/s，以1988 年5 月5 日实测最大平均流速5.36m/s 为依据，估算出榆中（二）站最大行洪能力为168m3/s，能够满足百年一遇防洪要求。

3 水文要素演变趋势分析

点绘兴隆河流域1983～2012 年年最大30min、1h 暴雨量及榆中水文站实测年最大洪峰流量、含沙量时间分布图，添加线性趋势线，如图1-图3 所示。从图中可看出，年最大30min、1h 暴雨量及洪峰流量、含沙量总体趋势皆明显递减。

图1 兴隆河流域年最大30min、1h 暴雨量时序变化图

图2 兴隆河流域年最大洪峰流量时序变化图

图3 兴隆河流域年最大含沙量时序变化图

使用基于秩的非参数Mann-Kendall 统计检验法对上述图示结论进行验证，结果显示：

1）流域年最大30min 暴雨量正态统计变量Z=-3.05，其绝对值>2.32，通过信度99%的显著性（显著性水平α=0.01）趋势检验，表明减小趋势明显。

2）流域年最大1h 暴雨量正态统计变量Z=-3.54，其绝对值>2.32，通过信度99%的显著性（显著性水平α=0.01）趋势检验，表明减小趋势明显。

3）实测年最大洪峰流量正态统计变量Z=-3.83，其绝对值>2.32，通过信度99%的显著性（显著性水平α=0.01）趋势检验，表明减小趋势明显。

4）实测年最大含沙量正态统计变量Z=-5.16，其绝对值>2.32，通过信度99%的显著性（显著性水平α=0.01）趋势检验，表明减小趋势明显。

通常情况下，降水和下垫面因素的变化是引起流域洪峰流量与含沙量变化的主要原因。一方面时段降水量减少，单位面积上暴雨量减少，流域汇流后形成的洪峰流量就变小，由于暴雨雨强变小，雨水冲刷能力减弱，洪水含沙量变小，另一方面流域生态环境向好，下垫面截雨滞洪能力变强，在同等降雨条件下，洪峰流量与含沙量皆变小。

4 流量监测成果分析

榆中水文站建站以来流量测验方法主要有：流速仪法、浮标法、比降面积法，所有径流数据均按这三种方法推求，为水文测验方式改革积累了宝贵的资料和经验。经多年水位～流量关系曲线对比拟合，中、高水部分变化趋势一致，低水部分误差超出《水文巡测规范》要求。

4.1 断面变化

榆中水文站测验断面自2014 年上迁至现测验断面，点绘2014～2017 年每年汛后实测大断面，如图4 所示。

图4 榆中水文站2014-2016 年实测大断面图

该测验断面两岸均为陡岸，河底系卵石组成，冲淤变化不大，断面相对稳定。从2014～2017 年每年汛后实测大断面图看出，断面变化呈现出逐年淤积变化趋势，淤积变化趋于稳定。

4.2 水位-流量关系分析

点绘2013～2017 年每年实测水位～流量关系曲线，如图5 所示。

从图5 看出，榆中水文站2013～2017 年水位～流量关系年内相对稳定，年际间变化较大，无法进行合并定线或单值化处理。

图5 榆中水文站2013～2017 年实测水位流量关系曲线图

4.3 汛期、非汛期径流分析

统计2013～2017 年榆中（二）站汛期（4-9 月）、非汛期（1-3 月、10-12 月）时段径流量，统计结果见表1。

从表1 中看出，2013～2017 年榆中（二）站汛期（4-9 月）径流量占年径流百分比在51.6%～66.2%之间，非汛期（1-3 月、10-12 月）时段径流量占年径流百分比在33.9%～48.3%之间。

表1 榆中（二）站2013～2017 年径流量分配表

4.4 非汛期流量巡测时间分析

统计2013～2017 年每月15 日的日平均流量和对应月平均流量，并进行误差分析。榆中（二）站历年非汛期流量巡测统计分析见表2。

表2 榆中（二）站历年非汛期流量巡测统计分析表

通过对2013～2017 年流量资料分析，各年日平均流量和月平均流量相对误差比较大，具体流量巡测日期不宜确定。

5 水文要素监测的思考

5.1 水位观测

借助榆中水文站、中小河流新建金崖水文站和高崖水位站现有的雷达水位计，进行水位变化过程控制，实现水位远程采集、传输；在榆中水文站基本水尺断面处安装摄像头，进行远程水位观测校对，达到水位远程监测目的。

5.2 降水观测

榆中水文站安装了融雪式雨量计，所属雨量站均安装了翻斗式雨量计观测仪器，经测站比测，误差符合《水文巡测规范》要求，可以实现降水资料的自动采集，人工观测应急补充。

5.3 水温观测

经历年资料对照，1980～2000 年平均水温呈逐年上升趋势，2000 年后趋于平稳。自2013 年榆中站上迁至新断面后，平均水温变化趋势平稳，变幅在0～20。C 之间，近40 年的水温观测资料基本能够满足各部门需求，建议停测。

5.4 含沙量测验

经历年资料对照，断面最大含沙量为577kg/m3，1983～2012 年含沙量时序变化图可以看出，含沙量呈逐年递减趋势。从兴隆河流域年最大含沙量时序变化图（如图3 所示）发现，2008 年以来，年最大含沙量呈现出明显减少趋势，且变化趋势稳定。2013～2017 年含沙量变幅在0～54.0kg/m3之间。以上均表明兴隆河流域植被不断往好的方向发展，与当地退耕还林等保护措施紧密相关。对于含沙量测验以下建议：由于兴隆山自然保护区是榆中县主要水源保护地，含沙量主要集中在每年5～9 月，成因由山洪造成，且变化不大，加之含沙量观测资料以接近40 年序列，基本能够满足各部门需求，建议停测。

5.5 流量测验

目前榆中水文站流量测验方法主要有：流速仪法、浮标法、比降面积法。经多年水位～流量关系曲线对比拟合，中、高水部分变化趋势一致，低水部分误差超出《水文巡测规范》要求。因此，流量测验方面提出以下几点建议：

1）由于兴隆河断面较窄，属于窄深式河道，基本断面行洪宽度只有14m，且行洪能力能够满足百年一遇需求。建议现状（2018 年）仍然按现行测验方式进行流量测验，通过2018 年实测水位流量关系和2017 年对照进行综合分析，如果水位流量关系趋势一致，能够达到合并定线要求，可以用综合水位流量关系曲线推流。

2）中期（2020 年）对河道进行渠道化修砌，按规范要求（量水建筑物法，河道长度不得小于河宽5倍）修砌为矩形渠道，长度为70m,建立稳定的水位～流量关系，以水位推求流量，以驻巡结合的方式完成测验方式改革。

3）进行简单的断面维修，配备属于小河流特性的雷达波在线测流系统，完成流量测验远程传输工作，达到测验方式改革的水文巡测目的。

4）年径流变化主要集中在5～9 月，建议现状流量采用人工驻守施测，其他时间段以巡测为主，用连实测流量过程线法推流。全年流量采用驻巡结合的方式完成测验工作。