嘉陵江凤州水文站断面演变分析

徐国强

(陕西省西安水文水资源勘测中心,陕西 西安 710100)

1 测站概况

凤州水文站设立于1984年1月,位于凤县龙口镇龙口村,地处东经106°38′、北纬33°58′,集水面积688 km2。本站为嘉陵江干流第一站(区域代表站),属省级重要水文站。测验项目有水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水质。管辖凤县、黄牛铺、河口、唐藏、红花铺、小五岭、南星7处国家基本雨量站。设站目的是收集嘉陵江流域基本水文信息,为下游各级防汛部门及水资源开发利用提供服务。

本站多年平均年降雨量611 mm,多年平均径流量1.449亿 m3。本站警戒流量300 m3/s、保证流量为1 000 m3/s,建站以来实测最大流量992 m3/s,发生于 1990年7月6日。调查最大流量1 640 m3/s,发生于1981年8月21日。实测最大含沙量65.0 kg/m3,发生于1990年8月11日。

2 水文气象

嘉陵江流域凤县境内属暖温带半湿润山地气候,小气候差异大,垂直变化明显,光热条件不足,降雨集中,分布不均,多集中在7、8、9三个月,易形成洪涝灾害和地质灾害。气候冬季不严寒,夏季无酷热;气温日差较大,又因地形和海拔高度的差异,各地气温差异较大。秦岭山地年平均气温7.9℃,7月最高为19.4℃,1月最低为-4.7℃,一般海拔每升高100米年平均气温下降0.3℃～0.8℃。凤州到双石铺河谷地带多年平均气温11.5℃,极端最高气温37.3℃(1966年6月21日,1974年7月9日),极端最低气温-16.5℃(1972年12月15日)。平均无霜期188 d。主导风向为东北风,年平均风速1.8 m/s。嘉陵江在凤县出境断面多年平均流量16.9 m3/s,最枯流量1.0 m3/s(1974年),最大洪峰流量4 670 m3/s(1981年)。

3 测验河段情况

嘉陵江上游属秦岭褶皱系和松潘-甘孜褶皱系,岩层褶皱强烈,断层发育,岩体破碎,地震强度加大;出露的地层以震旦系和古生界某系的变质岩及侵入岩体、碎屑岩、石灰岩为主。凤州水文站测流断面河段顺直,河床由砂卵石组成,左岸为人工堤防,右岸为自然陡土坎。河床冲於变化主要受洪水涨落等因素的影响。测验河段内共布设三个断面:流速仪测流断面兼浮标中断面与基本水尺断面,上下浮标断面兼比降水尺断面,上下断面间距100 m。为沙砾石河床单一断面,左岸上下800 m均有砌石河堤,下游2 000 m有安河汇入,测站控制良好。

4 河道冲淤演变

嘉陵江上游段宝鸡境内从源头起,不少地段河谷为“V”字形,坡谷陡峭达40°以上,支沟或溪流出口处多有冲积锥或洪积扇,遇到暴雨,经常诱发崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害,源头东峪沟发源于秦岭山脉之中,由数以百计的山泉汇集而成。东峪沟河水向西流至黄牛铺镇的东河桥后折向西南,与北来的三岔河交汇后在红花铺镇与西北方向流出的红花沟河水汇合,流经草凉驿与东西流出的龙王沟河水汇合,向南流入凤州境内。从图1根据水面宽与平均水深之比值(B/H)小于100时为窄深河道,大于100时为宽浅河道,可以看出凤州水文站断面属窄深河道。

图1 凤州水文站现状大断面图

4.1 河道历史演变概况

嘉陵江上游干流属山区束放式河型,宽谷狭谷相间,呈串珠状。曲流发育,支流长,面积大。干流两岸发育有三级阶地,一级阶地窄而低,呈断续分布,二级阶地分布较为广泛,地面平坦宽阔;三级阶地呈零星分布,起伏大而破碎。嘉陵江从源头流出一路由东北向西南贯穿整个凤县,途径凤县黄牛铺镇、红花铺镇、凤州镇和双石铺镇,在凤县双石铺镇草店村灵官峡两河口与支流红岩河交汇后流入甘肃省境内。河谷形态呈宽窄相间的串珠状,河道平均比降为14‰。峡谷段坡陡峻,河流深切,谷岭相对高差200～400 m;在草凉驿、龙口镇、凤州镇和双石铺等宽谷段,河床较宽,漫滩和阶地发育。

嘉陵江干流属清水河流,但6-9四个月的洪水中含沙量高。据凤州水文站实测资料分析,多年平均含沙量为1.46 kg/m3,多年平均输沙量97.82万 t,多年平均输沙模数为200～500 t/km2·a。

本次分析选用凤州水文站建站以来1984年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年实测大断面资料套绘分析,高程均采用凤州水文站冻结基面高程,见表1及图2。

表1 凤州水文站断面深泓点历史演变情况表 m

图2 凤州水文站断面历史演变套绘图

凤州水文站在建站以来近40中,从多年河道断面形态变化情况看,河岸线基本处于稳定状态。过水断面河床底部平坦无明显的深泓和浅滩特征,河道断面形态多年来没有明显的剧烈变化。

从横向上来看测验断面主槽横向迁移和摆动较大,中泓左右摆动较为频繁,摆动较大在14～75 m之间,2000年以前基本位于河道左岸,2000-2015年逐渐向右岸摆动,2015年以后受涨洪的影响,逐渐向左岸摆动。

从河道纵向上来看河床整体冲淤变化约为1.5 m,中泓最大冲刷深度2.2 m左右,河床的局部冲刷最大冲刷为3.52 m,河床自然冲刷较为剧烈。

4.2 河道近期演变分析

本次分析选用凤州水文站2010-2022年实测大断面资料套绘分析,高程均采用凤州水文站冻结基面高程,见图3。

从凤州水文站近期(2010-2022年)河道断面形态变化情况看,河岸线处于稳定状态。河床底部较为平坦无明显的深泓和浅滩特征,河道断面形态近年来也没有明显的剧烈变化。

从横向上来看测验断面主槽横向迁移和摆动较大,中泓左右摆动较为频繁,在30～75 m之间,在近10 a间河道中泓受洪水涨落影响从左岸摆动至右岸后又摆动回左岸。

从河道纵向上来看河床整体冲淤变化约为1.5 m,中泓最大冲刷深度2.41 m左右,河床的局部冲刷最大冲刷为3.32 m,河床自然冲刷较为剧烈。

5 水力因子演变分析

将凤州水文站2022年实测大断面与1990年实测大断面图进行套绘,1990年7月发生建站以来最大洪水,选取该年的断面具有一定的代表意义。见图4。

图4 凤州水文站断面2022年与1990年套绘图

(1)以凤州1990年7月6日最高洪水位1 016.09 m作为断面相关参数计算水力因子因子,在分析河道变化情况时,主要参数有过水面积,水面宽度,河道断面平均河底高程。通过计算得出1 016.09 m以下河道断面面积为增大趋势,从大断面图可以看出,1990-2022年河道断面面积增加138 m2,增加了54.1%;河底平均高程下切1.48 m;断面深泓点下切了2.27 m(见表2)。

表2 同级水位断面水力因子变化表

(2)以凤州水文站1990年7月6日实测最大洪峰流量992 m3/s作为相关参数计算断面相应水位,过水面积,水面宽度,河道断面平均河底高程。通过计算得出历史实测最大洪峰流量992 m3/s时,2022年比1990年相应水位降低了1.51 m,过水面积增大了8%,水面宽度基本一致,平均水深略微有所增大。

通过表3中2022年和1990年相关水力因子演变分析,与凤州水文站河道演变基本一致,可以看出现状河道与历史实测最大洪水(1990年)过水断面有较大的变化,应该在凤州水文站报汛曲线的率定中予以参考修正。

表3 同级流量断面水力因子变化表

6 结语

(1)凤州水文站水文测验河段为砂卵石河床,冲淤变化较大。无论是建站以来还是近10 a来,测验断面横向上主槽迁移和摆动较大,中泓左右摆动较为频繁;纵向上基本处于一直不断冲刷深切。

(2)凤州水文站断面同水位过水面积、过流能力明显增大,目前断面过流能力远远大于1990年,应在高水报汛曲线的修订中予以充分的参照分析,同时为嘉陵江源头段河道演变提供参考。