人类活动影响下的工程悬移质来沙量计算方法探讨

井 涌，王红艳，古明兴

（陕西省水文水资源勘测中心,陕西 西安 710068）

1 问题

大规模持续人类活动对流域产水产沙造成数量增减上的显著影响,主要包括流域内兴建的水利、水保及土地开发建设工程等。各种库坝工程及河道引水工程的修建,使流域所产生的泥沙拦蓄在水库或淤积于灌溉农田之中；梯田、造林、种草等水保措施均可减轻流域侵蚀,从而减少流域产沙量；开矿、修路及城镇建设向沟道河道的弃土弃渣又人为地增加了河道的输沙量。

2000 年后,陕西省黄河流域河流年输入黄河的泥沙量较1979 年前,年均减少约2.5 亿t[1-2]。据新编《陕西省水文手册》93 个20 年以上实测泥沙水文站的系列资料[3][4],分析人类活动影响显著的“拐点”后期较前期,多年平均年输沙模数减少50%以上的站42 个、占45%,减少35%以上的站70个、占75%。

水文站实测输沙量的锐减,以及愈来愈多研究表明,这种锐减是人类活动与气候变化共同作用下累积导致流域产水产沙环境条件发生不可逆变化的结果[5-7]。因此,工程设计断面处的多年平均年输沙量,既不能简单用人类活动影响显著的“拐点”前期输沙模数计算,以免造成设计淤积死库容过大,加大不必要的投资成本,也不能简单用“拐点”后期参数计算,以免可能产生设计淤积库容不足,带来远期风险。

实际工作中应充分考虑人类活动对流域产沙、输沙的影响,根据具体情况采用恰当的方法做必要的修正,使之更加切合实际。

2 影响期分析确定

2.1 分析方法

人类活动在时空分布上具有不均匀性和不确定性,这种特性使流域原本自然的产沙机理和泥沙运移规律及其时空分布过程发生了改变。在现状资料条件下,很难对人类活动影响的诸因素分别进行定量化的分析计算。

分析确定人类活动显著影响流域悬移质输沙量的“拐点”是寻找修正这种影响的基础。本文采用新编《陕西省水文手册》中选用的93 个水文站20 年以上实测泥沙系列资料,并进行部分站渠道引沙和水库淤积量逐年还原后,点绘各站年输沙量单累积曲线,以曲线斜率突变处确定拐点年份的方法,分析确定各站的影响期。例如,马湖峪站输沙量累积曲线见图1,曲线斜率突变处确定为拐点年份是1970 年。

图1 马湖峪水文站年输沙量单累积曲线图

2.2 影响期确定

93个选用水文站确定的拐点年份及特征值统计见表1,表中仅列了少部分水文站,详见新编《陕西省水文手册》[4]。

表1 选用水文站人类活动影响显著的拐点前、后期特征值统计表

93 站中大部分40 年以上系列站的拐点年份在1970 年前后。综合分析确定,陕北地区多在1970年前后、关中和陕南地区多在1970 年或1980 年前后,为人类活动影响显著的拐点前、后期。

为了全省范围统一协调考虑绘制相同资料系列输沙模数图及地形地貌等因素,统一采用1956 年~2012 年和1970年～2012 年同步长、短57 年和43 年系列,分别勾绘了长系列及1970 年~2012 年同步短系列人类活动显著影响后期的悬移质输沙模数分区图,连同表1“选用水文站人类活动影响显著的拐点前、后期特征值统计表”,供无资料且人类活动影响显著地区估算设计工程多年平均年输沙量使用。

3 工程悬移质来沙量计算方法

3.1 常用方法

1）有实测资料

设计计算断面有20年以上实测年输沙量系列资料,或采用本站流量与悬移质输沙率（量）,设计站与参证站悬移质输沙量相关关系,考虑两者的差异插补延长到20年以上系列资料时,可用下式计算多年平均悬移质年输沙量：

式中：WS为多年平均悬移质年输沙量,104t；Wsi为i年悬移质年输沙量,104t；n为泥沙资料系列年数。

人类活动对设计断面的输沙量影响显著时,可采用分别调查断面以上各项水土保持措施,修路、开矿等减增沙量的分项调查法对资料进行一致性分析修正。

可根据工程设计要求和资料条件,进行下列有关内容的分析计算和设计：

（1）多年平均含沙量、多年平均年输沙量及其年内分配。

（2）丰、平、枯不同典型年的年平均含沙量、年输沙量及其年内分配。

（3）实测最大断面平均含沙量及其出现时间,最大、最小年输沙量及其出现年份。

（4）多年平均和多年汛期平均颗粒级配,平均粒径、中数粒径、最大粒径及矿物组成。

（5）泥沙地区分布。

2）无实测资料

无实测资料且人类活动影响小的地区,一般可用以下2种办法估算工程设计断面处的多年平均年输沙量。

（1） 水文比拟法

当工程所在河流无实测泥沙资料,而设计流域自然地理及产水产沙条件与现有某水文站流域条件接近或相似时,可以该水文站作为参证站,利用参证站的输沙模数推求设计流域多年平均悬移质输沙量。

本方法的关键在于选择一个适当的参证流域。选择参证流域时,须考虑流域的自然地理、气候及水文下垫面产沙类型,以及人类活动影响程度的相似性。

设计流域多年平均悬移质输沙量可按下式估算：

式中：MSC为参证水文站流域多年平均悬移质输沙模数,t/km2；为单位换算系数；其它符号意义同前。

工程设计断面控制流域与参证站若在同一流域,并且控制流域面积与参证站流域面积相差在±15%以内时,其输沙模数可直接应用。流域面积相差±15%以上时,可按无资料地区方法进行计算。

（2）悬移质输沙模数图法

输沙模数,即流域单位面积的输沙量,是判断流域表面侵蚀程度的一个重要指标,它反映不同产沙地类条件下的流域表面侵蚀情况。悬移质多年平均年输沙模数可由式（3）计算[8]：

式中：MS为多年平均悬移质输沙模数,t/km2,其它符号意义同前。

一般悬移质泥沙输沙模数图是根据选用的水文站还原后的输沙量系列资料,计算出各站多年平均悬移质输沙量模数,将其点汇在相应的流域重心处,以主要点据为依据,考虑暴雨强度及地形、土壤,植被、地质等自然因素,以及人为毁林开荒等影响勾绘而得。依据139个水文站的资料,勾绘的“陕西省1956年~2012年和1970年~2012年悬移质多年平均年输沙模数分区图”详见《陕西省水文手册》。

查用悬移质多年平均输沙模数分区图,应根据设计流域位置先在年输沙模数分区图上查出相应的输沙模数,再乘以设计流域面积,即得设计流域的悬移质多年平均输沙量。

采用输沙模数分区图算得的成果比较粗略,使用时应进行流域调查并作全面的分析修正。

3.2 人类活动影响显著无资料地区计算方法商讨

3.2.1 修正水文比拟法

当人类活动显著影响无资料地区流域输沙量计算时,可采用表1“选用水文站人类活动影响显著的拐点前、后期特征值统计表”中的修正系数进行修正。一是可直接采用选用的参证站拐点后期输沙模数,不用修正估算；二是可再选取选用参证站拐点前期输沙模数乘以相应修正系数,再与采用拐点后期输沙模数估算值比较,并结合流域实地调查综合确定合理的设计估算值。

3.2.2 修正输沙模数图法

采用上述无资料悬移质输沙模数图法中,勾绘的2 张长、短系列输沙模数分区图查算,若人类活动影响显著,需要考虑修正的问题。为此,在分析确定93 站受人活动及气候等自然条件综合影响输沙量突变的转折年前后修正系数的基础上,对各单站修正系数进行综合分析,给出了我省陕北、关中、陕南三大水文分区的综合相对修正系数,供无资料地区计算时参考,见表2。

表2 人类活动影响悬移质输沙量综合相对修正系数表

在使用时应注意,分区综合统计去掉了部分站特大值或特小值。若采用1956 年~2012 年长系列悬移质多年平均输沙模数分区图查算,需选取合理修正系数修正；若采用1970 年~2012 年短系列输沙模数分区图查算,可不再修正,或考虑选取相对长系列选用修正系数较小的修正系数尝试修正,最后需要根据工程运行安全,设计寿命,投资成本等,并结合流域调查综合考虑确定。

3.2.3 雨沙模型法

降水和流域下垫面地形地貌是流域土壤侵蚀和产水产沙的主成因子,以主成因子为参数研究构建水文站单站雨沙模型,并进行降水和下垫面地类参数的地区综合,进一步建立流域雨沙模型,就可以应用模型从理论上计算流域“天然”悬移质输沙量,进而比照分析得出较为合理的人类活动显著影响的修正系数。

《陕西省水文计算手册》[4]提出并构建了流域雨沙模型结构见下式：

式中：MS为某设计流域多年平均输沙模数,t/km2；B为水文分区参数；N为某设计流域的地类数；i为流域内单一地类面积权重；Ci为某产沙地类产沙参数,t/km2；Xs为某设计流域多年平均产沙降水指标；m为与水文分区降水特征有关的参数；其他符号意义同前。

4 讨论

人类活动显著影响无资料地区流域设计断面多年平均年输沙量的计算是一个很复杂的技术难题。本文尝试提出的修正常用水文比拟和输沙模数图法,主要仅供我省中小河流无资料地区设计估算时参考,强调需在全面调查分析设计流域人类活动影响状况的基础上分析估算,还可在2方面改进。

（1） 表2“人类活动影响悬移质输沙量综合相对修正系数表”中的相对修正系数,可考虑进一步细化陕北北部、中部、南部；关中秦岭北麓、渭河北；陕南汉江南、汉江北,嘉陵江分区的系数,更便利应用于中小河流。

（2） 研究构建我省流域雨沙模型。从理论和实践上,提升计算全省各地流域悬移质泥沙天然输沙量,推求人类活动显著影响修正的技术水平。