呼图壁河石门水文站测次精简分析

张元杰

(昌吉水文勘测局,新疆 昌吉 831100)

使用方面工作。

0 引言

石门水文站是新疆呼图壁河流域的代表站,自建站以来,水文站承担了呼图壁河水位、流量、泥沙等观测项目,为掌握流域水量、水质动态变化和流域水资源评价、区域水文特征和水文规律研究积累了长系列水文基础资料[1]。本文通过对石门水文站观测项目测次和实施时机的精简分析,提出在达到在满足流量测验和推算径流量精度原则下,可以科学合理地减少水文站测次,优化测验方法及方式,能极大减轻测站人员工作任务,提高测报工作效率。

1 石门水文站概况

1.1 测站布设位置

呼图壁河是天山北坡中段第二大河流,河道总长度176 km。石门水文站为呼图壁河区域代表水文站,属省级重要水文站,始建于1977年4月,距昌吉市125 km,地理坐标为东经86°34′、北纬 43°45′,水文站以上集水面积 1 840 km2,河长 91 km,测站高程1 480 m[2]。

1.2 观测项目

石门水文站观测项目见表1所示。其测验精度按照类别属于二类的为流量和泥沙观测。

表1 石门水文站观测项目

1.3 测站设施情况

水文站的主要水文设施及设备有:双缆电动缆车、基本水尺、上下比降水尺、主索、副索及缆道[3]。

2 石门水文站测验断面状况分析

石门水文站河床由砂砾石、卵石组成,两岸为砂砾石,河床比较固定。测验河段较顺直,长约200 m,无岔流、串沟、逆流、回水、死水等情况。枯水期,起点距8～18 m左右处出现漫滩,测验断面河流分为两股水,两股水流存在横比降,水位不具有代表性,但不影响流量测验。河床为砂、砾石组成,无水生植物,冲淤变化较小。基本断面下游150 m处有急湾作为控制,水位流量关系较稳定。基本断面左岸为岩石峭壁,右岸为岩石和沉积戈壁砂石混合而成,约为40°陡坡,坡上长有杨树。基本断面上游0.45 km处有支流白杨沟自左岸汇入,白杨沟口建有小型水电站一座,由于来水量较小,对流量无影响。基本断面上游1.06 km处建有拦河中型(达拉拜)水电站一座。由于该电站在枯水期以及冰期频繁启、闭闸门,蓄水发电,造成测验断面水位人为的有一定规律的陡长陡落以及产生大量冰塞或冰坝,影响测流,所以在冰期选择临时断面(基上200 m、250 m、350 m)测流;且每年秋季该电站排沙对测验河段冲淤变化有一定影响。当石门水文站发生较大洪水时,漂浮物较多,对测验有一定影响。

冲淤变化主要因上游泥沙随洪水淤积冲散。点绘2014-2018年大断面图,见图1。从图1上可以看出,河槽变化不剧烈,河宽变化不大,非汛期主流在左岸,右岸为滩地,断面为复式断面。

图1 石门水文站2014-2018年大断面图

3 石门水文站测次精简分析

3.1 测次调整方案

石门水文站冬季结冰封冻,且冬季要报水情,所以对冬季1-3月、10-12月的流量测次不作调整,结合实际情况,主要对4-9月的测验项目进行测次调整。原有的观测项目及频次为流量测次:全年65次;悬移质单沙测次:221次;悬移质输沙率测次:全年19次(见表2)。提出的新的精减测次方案为流量测次:全年47次;悬移质单沙测次:148次;悬移质输沙率测次:全年14次,详如表3所示。

表2 石门站水文测验项目原测次年内分配表

表3 石门站水文测验项目精简后新的测次年内分配表

3.2 测次精简依据分析

3.2.1 流量观测项目

每年自然界河道来水在时空分布上的随机性,决定了石门水文站流量测验次数的不同,一年中的测流次数,应根据高、中、低各级水位的水流特性、测站控制条件、测验精度、定线推流的要求,以及需求等综合确定,能够掌握各个时期的水情变化,合理地分布于各级水位和水情变化过程的转折点。当发生洪水、枯水超出历年实测流量的相应水位时,应对超出部分增加测次。点绘2014-2018年水位流量关系见图2。高水部分,根据本站测验设备状况,流量超过150 m3/s以上,都采用中泓浮标测验方法,因呼图壁河洪水历时较短,故高水流量测次较少。从图2中可以看出,中高水部分年际变化不大,主要在冲和淤两条线上来回摆动,说明河槽冲淤变化比较有规律。此阶段测验状况相对复杂,既要施测到每个洪水过程,又要考虑河槽的冲淤变化。应视情况增加测次,来控制水位流量关系线的变化。石门站1977年建站以来,河槽冲淤变化频繁,河水主流左右摆动。断面年内冲淤变化大,故临时曲线较多,为了控制流量的变化过程,近几年来,石门站平均每年实测流量测次为65次以上。

图2 石门站2014年-2018年水位流量关系图

根据资料统计,石门水文站,历年水位变幅为8.24～9.87 m,历年平均水位变幅为1.41 m。根据定线经验,汛期测验以0.05 m一个施测流量点为流量控制点,可以满足日平均流量计算、各项特征值统计、水文资料整编和水情拍报的要求,流量测次可控制在47次以上,即可满足临时曲线推流的要求。但还要根据水情变化情况适当增加测次。本次采用2014-2018年共5 a的水文资料,将每年的实测流量根据低估水及中高水按水位高低排序,根据本站年径流量的季节变化过程情况、流量级的划分及定线要求,在低枯水时,水位变幅在2～5 cm时随机选取测次,中高水水位变幅在5～10 cm时随机选取测次,选取时年最高及最低流量测次必须选取,分析计算出精简测次后的年水量总量,然后按《水文巡测规范》相关误差指标规定进行比较。精减后的水位～流量关系曲线图见图3～图10。从石门水文站多年水位流量变化过程来看,低水位以下,水流平稳,流量变幅不大,水位流量关系良好,测次可酌情减少。在发生洪水、枯水超出历年实测流量的水位时,对超出部分增加流量测次。

图3 石门站2014年2线精减后水位流量关系曲线图

图5 石门站2015年3线精减后水位流量关系曲线图

图7 石门站2016年8线精减后水位流量关系曲线图

图9 石门站2017年4线精减后水位流量关系曲线图

通过计算分析,各年的年总水量误差符合《水文巡测规范》相关规定。经精简分析后,低枯水时水位变幅在2～5 cm时施测流量一次,中高水时水位变幅在10～20 cm时施测流量一次,全年4-9月施测流量不少于30次,并且要满足定线要求。

综上所述分析,根据规范的要求、高洪测验和年头年尾流量的衔接,确定本站年内流量测验最少测次为47次(见表3),在遇特殊年份时,总测次可在此基础上适当增减。

3.2.2 悬移质泥沙观测项目

石门站根据《河流悬移质泥沙测验规范》(GB 50159-92)的规定,确定本站为泥沙二类站。点绘历年日平均输沙率过程线图,见图11。由图可见,泥沙输沙率在年内分配极不均匀。造成这种结果的原因是,流域下垫面水蚀输泥沙和河水侵蚀河槽泥沙为主,春季的融雪和夏季的降水都是泥沙含量大的原因,年内降水量较多时,输沙率也大,径流量大,相应的输沙率也大,由于从4月份开始,泥沙随气温的回升以及暴雨洪水的出现,输沙率呈逐渐递增趋势,最大输沙率一般出现在6月-8月,此后,输沙率逐渐呈递减趋势。同样,含沙量分布极不均匀,一般10月-次年3月,河水的含沙量为零,所以,输沙率及单样测次应偏重于6-8月。

图11 石门站2014-2018年日平均输沙率图

单样含沙量的测验次数应能控制含沙量变化过程。本站属于一日一峰型,单沙每日8时、20时取样两次,洪水期每次较大洪水不少于5次,含沙量的变化急剧时,在沙峰的起涨、峰顶和落平等转折处均分布测次;洪峰重叠、水沙峰不一致时增加测次;平水期,在水位定时观测时取样一次,非汛期含沙量变化平缓时,可每5日取样一次。枯水期河水清澈见底时,单样水样按规定停测,按零处理。本站全年悬移质单沙测次确定为148次(见表3)。

将2014-2018年单断沙关系定综合线见图12,其单断沙综合系数为1.000 0,其标准差为6.3、随机不确定度为12.6、系统误差为0.9,符合规范要求。从图11、图12可以看出每年最大输沙率出现在6-8月,近五年施测输沙率61份,其中20 kg/m3的输沙率测点5份,因此对输沙率测次进行调整,减少枯水期测次,仍然可以满足资料整编要求,同时还减轻了测站人员工作任务。

综上所示根据《河流悬移质泥沙测验规范》(GB 50159-92)的规定,一年内悬移质输沙率的测次,以能准确定出推算输沙率用的关系曲线为原则。本站自建站以来,一直采用横式采样器法采取单位水样及施测输沙率。根据上述分析及本站的实际情况,确定输沙率的年测次为14次(见表3)。

4 结语

综上分析,通过对石门水文站观测项目测次和实施时机的精简分析可知,石门水文站可在对流量、单位水样、输沙率进行精简测次,其不影响水文测验最终成果。遇到特殊年份时,总测次可在此基础上,适当增减。远期水文站应构建“驻巡结合、应急补充”的水文测报监测体系,不断推进水文观测自动化和水文监测新技术应用,节约人力,降低成本,提高劳动生产率,扩大水文资料收集面,发挥水文大数据时效性、应急性效应,为社会提供精准水文基础服务。