淮河干流小柳巷水文站2010—2020年水沙特性分析

李金鑫

(安徽省滁州水文水资源局，安徽 滁州 239000)

1 概 述

淮河干流全长约1 000 km，流域面积约为2.7万km2，流经豫皖苏三省。小柳巷水文站位于淮河干流中下游，集水面积123 950 km2，属一类精度国家重要站。1981年4月1日设立观测水位和降水量，1982年1月1日开始流量测验，同年4月30日施测泥沙，1989年6月23日起流量、泥沙停测，1993年4月1日恢复流量、泥沙测验并增加推移质测验项目至今。

由于该站测验河段为人工开挖河道，水面比降较小，早期受河道采沙影响，变化较大。采沙活动受限制后，受下游洪泽湖回水顶托影响，呈淤积特性，水沙特性较为复杂。本文将通过该站最近11 a实测水文资料，探究该站多年降水量、径流量、输沙量的年际、年内分配特征及各要素间相关性，为该地区河道整治规划和防汛抗旱决策提供理论支撑。

2 资料与方法

2.1 数据材料来源

本文数据的降水量、径流量、输沙量、含沙量均来自小柳巷水文站2010—2020年实测资料，数据均按照水文行业相关规范进行整编，成果质量可靠。

2.2 研究方法及参数

(1)利用不均匀系数CL表征各参数年内分配不均匀性：

(2)双积累曲线法。在水文学上可以通过累加的方式去展现出水文要素的规律性及一致性。本次利用双积累曲线法来对小柳巷水文站多年径流量与输沙量的一致性进行检验，通过观察斜率变化，分析双方趋势性影响。

(3)来沙系数常用来反映河道的输沙强度大小，数值为含沙量与流量的比值，即：

ξ=S/Q

式中，ξ为来沙系数(kg·s/m6)；S为含沙量(kg/m3),Q为流量(m3/s)。

依据河道来沙系数将水沙运动状态划分为水少沙多(ξ≥0.011)、水沙协调(0.009≤ξ<0.011)与水多沙少(ξ<0.009)3种状态。河道来沙系数大，河道输沙强度越大，河道越可能发生淤积；反之，河道可能发生冲刷。

3 水沙时变特性

3.1 水沙年内分配

3.1.1 小柳巷水文站2010—2020年降水量、径流量、输沙量、含沙量年内分配

(1)该站多年平均月降雨量较大值集中在6—9月，分别占比13.9%、18.0%、21.4%和10.7%，累计占全年降雨量的64%，最小值出现在12月，占比2.4%。

(2)该站多年平均月径流量较大值集中在7—10月，分别占比为19.5%、14.3%、11.6%和9.3%，累计占全年净流量的54.7%，最小值出现在2月，占比3.9%。

(3)该站多年平均月输沙量较大值集中在7—10月，分别占比为40.8%、11.9%、10.7%和14.4%，累计占全年输沙量的77.8%，且主要集中在7月，最小值出现在2月，占比0.6%(见表1)。

表1 小柳巷水文站2010—2020年降水量、径流量、输沙量、含沙量年内分配

3.1.2 小柳巷水文站2010—2020年降水量、径流量、输沙量不均匀系数

(1)该站降雨量不均匀系数值多年变化幅度不大，最大值为0.52，出现在2011年；最小值为0.25，出现在2014年；通过查阅原始资料发现该年年内有5个月的降水大于月平均降水。

(2)该站径流量值总体上呈缓慢增大趋势，最大值为0.56，出现在2020年；通过查阅原始资料发现，该年6—8月的累计径流量达到了全年的81%；原因是淮河干流2020年汛期发生了超历史洪水，也刷新了建站以来实测最高历史水位。径流量最小值为0.24，出现在2013年；通过查阅原始资料发现，该年年内有5个月的径流量大于月平均径流量。

(3)该站输沙量年内分配很不均匀，输沙量值在11 a中只有1 a低于0.5，且有随时间而缓慢增大的趋势；其中2015年为最大值0.74，说明该年输沙量分配最不均匀；通过查阅原始资料发现，该年7月份的输沙量达到了全年的72.2%，输沙量值最小值为0.41，出现在径流量值最小的2013年，也证明了径流量和输沙量有较好同步性(见图1)。

图1 小柳巷水文站2010—2020年降水量、径流量、输沙量不均匀系数

由上述数据可以看出，该站的降水、径流以及来沙多集中于汛期，输沙量比降雨量及径流量的年内分配相对更加集中；且最大值和最小值的出现时间与径流量基本同步，沙峰过程与洪水过程基本一致。

3.2 水沙年际变化

小柳巷水文站近11 a降水量、径流量、输沙量年际变化如下所示(见图2)。

图2 小柳巷水文站2010—2020年降水量、径流量、输沙量年际变化

(1)该站多年平均降雨量为981 mm，最大年降雨量出现在2018年，为1 241.3 mm；最小年降雨量为627.5 mm，出现在2019年。

(2)该站多年平均年径流总量为231.6亿m3，最大年径流量为2017年的376.6亿m3，最小年径流量为2019年的76.41亿m3。

(3)该站多年平均输沙量为386.78万t，最大年输沙量为2020年的1 020万t，最小年输沙量为2013年的24.8万t。

由上述数据可以看出，该站的年降雨量变化一直较于稳定，而年径流量与年输沙量的波动变化幅度较大，且相对同步，总体上呈现增大的趋势；特别是在2014年以后两者都有显著增大，该年之前的年平均径流量及年平均输沙量分别为169.4亿m3、179.88万t。从2015年开始，以后年平均径流量及年平均输沙量分别为283.5亿m3、559.2万t，增加量分别为114.1亿m3、379.32万t。

4 水沙关系

4.1 水沙关系分析

通过计算小柳巷站最近11 a的来沙系数，制作来沙系数过程线表明(见图3)：多年来小柳巷水文站单位流量水多沙少，输沙强度较小，平均来沙系数为1.58×10-4kg·s/m6；最大值为2015年的2.43×10-4kg·s/m6，最小值为2013年0.8×10-4kg·s/m6；且来沙系数与前述水沙变化一样呈增大趋势。2015年开始来沙系数明显增大，主要是该年径流量的显著增大所导致。

图3 小柳巷水文站2010—2020年来沙系数过程线

由小柳巷水文站2010—2020年径流量与年输沙量双积累曲线可知(见图4)，两者基本呈良好的线性关系，变化情况具有较好一致性；从2015开始斜率明显变大，说明2015年流域水沙特性发生了系统变化。对比之前的数据结果发现，是2015年径流量及输沙量的一致显著增大所导致。

图4 小柳巷水文站2010—2020年径流量与年输沙量双积累曲线

4.2 水沙变化原因分析

近年来，小柳巷水文站控制河段的年降雨量基本保持稳定，而径流量和输沙量均有明显增加的趋势；且径流量变化和输沙量变化呈现很好的同步性；说明由于多年的河道采沙治理，近年来淮河流域水土流失情况有所改善，水土保持成效显著，上游来水量变化成为导致来沙量变化的主要原因。

其次，由于该河段既受上游支流来水、分洪、行蓄洪、蚌埠节制闸调度影响，又受下游三河闸调度影响，枯水年水沙关系较为稳定，当上游来水量过大时极易造成泥沙淤积，进一步抬升河床。例如，在2020年汛期，淮河干流全线超警，小柳巷水文站更是达到历史最高水位；由于该河段受洪泽湖回水顶托和泥沙淤积影响，洪水过程呈“高水低流”状态，导致水动力不足，造成排洪困难。

5 结 论

依据小柳巷水文站最近11 a降雨、径流和泥沙实测资料，通过对该站多年降水量、径流量、输沙量的年际、年内分配特征及各要素间相关性分析，并结合小柳巷水文站的水沙特性，得出结论如下：

(1)降水量、径流量和输沙量年内分配都不均匀。主要表现在：降水量较大的月份主要集中在6—9月，径流量、输沙量较大的月份主要集中在7—10月，特别是7月份，径流量和输沙量均达到当年最大值，说明沙峰过程与洪水过程基本一致。

(2)小柳巷水文站的年径流量、年输沙量近年均有增大的变化趋势，年降水量多年保持相对稳定，来沙系数随时间有缓慢增大趋势。

(3)小柳巷水文站近年的平均来沙系数均小于0.009 kg·s/m6，属水多沙少类型。输沙量和径流量关联密切，两者变化具有一致性，降水量与前两者关联度相对较小，输沙量大小主要取决于上游来水量的大小。

(4)由于受下游洪泽湖回水顶托影响，该河段在上游来水量过大时总体水位呈快涨慢落的特性，易形成泥沙淤积，造成排洪困难；同时有进一抬升河床的可能。