虞邦義,郁玉鎖,趙 凱

(1.安徽省?水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院,安徽蚌埠 233000;2.安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽蚌埠 233000;3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098)

河道來水量及其過程和與之相應(yīng)的來沙量及其過程是決定河床形態(tài)最主要的因素,這兩者都因時(shí)而變.為建立河相關(guān)系,必須找到1個(gè)代表流量,該流量對塑造河床形態(tài)所起的作用最大.最大洪水流量的造床作用劇烈,但時(shí)間過短;枯水流量作用時(shí)間較長,但流量過小,所以這些流量的造床作用都不是最大.由此可見,造床流量應(yīng)該是一個(gè)比較大但又并非最大的洪水流量.造床流量決定了河流的平均狀態(tài),因此工程中常常依據(jù)該流量來設(shè)計(jì)河流常年的斷面和平面形態(tài).目前確定造床流量的方法在理論上還不成熟,在實(shí)際工作中一般采用馬卡維也夫法,并參考平灘流量值[1-5].除此以外還有一些經(jīng)驗(yàn)方法,如黃河水利委員會水利科學(xué)研究所研究得出的造床流量與多年汛期平均流量關(guān)系式[6];陳建國等[7]建立的黃河下游平灘流量與花園口全年或汛期水量連續(xù)5a滑動(dòng)平均值和當(dāng)年最大洪峰流量的關(guān)系式,以及用馬卡維也夫方法計(jì)算出黃河下游造床流量與平灘流量之間的關(guān)系式.吳保生等[8]指出,平灘流量不能簡單等同于造床流量,需要將兩者分開來.而對于少沙河流,平灘流量與造床流量雖然不能等同,但比較接近[1],如長江中下游各河段造床流量與平灘流量基本一致[9].

淮河發(fā)源于河南省境內(nèi)桐柏山區(qū),自西向東流經(jīng)豫皖蘇三省,全長1000km,流域面積18.7萬km2.從洪河口到洪澤湖出口中渡為中游,長490km,落差16m,河床比降0.3×10-4.淮河五大支流均從中游匯入淮河.表1為1985～2005年淮河中游主要測站水文特征值的變化情況.從表1可以看出,淮河中游沿程集水面積、徑流量和輸沙量變化較大.且從空間分布上看這種沿程變化呈現(xiàn)階梯式的變化特征,即在主要支流入?yún)R處發(fā)生突變.王家壩、潤河集、魯臺子、吳家渡4個(gè)水文站基本控制了淮河中游入?yún)R水量突變的幾個(gè)河段.此外淮河中游河床基本穩(wěn)定,縱橫斷面變化較小,水位-流量關(guān)系相對穩(wěn)定,輸沙量與流量和徑流量相關(guān)關(guān)系較好,因此采用馬卡維也夫法確定各站及相應(yīng)河段的造床流量是合適的.本文以馬卡維也夫法和平灘流量法為基礎(chǔ),采用1950～2007年實(shí)測水文資料,確定淮河中游干流各測站及相應(yīng)河段的造床流量值.

表1 淮河中游主要測站水文特征值Table 1 Hydrological characteristic values at main hydrological stations in the middle reaches of Huaihe River

1 淮河中游各河段造床流量計(jì)算

1.1 馬卡維也夫法

馬卡維也夫法的具體步驟是[10]:把分析時(shí)段內(nèi)的流量(日流量)全部劃分成一系列的相等區(qū)間;確定落入每一區(qū)間的流量次數(shù)占整個(gè)分析時(shí)段內(nèi)觀測流量次數(shù)的頻率P,并計(jì)算落入每一區(qū)間的所有流量的平均值Q;由每一區(qū)間的Q,根據(jù)水位流量關(guān)系反推水位,再參考斷面平灘水位,確定各流量區(qū)間相應(yīng)的灘地作用系數(shù)σ值[3];繪制流量與比降的關(guān)系曲線,由流量平均值查其相應(yīng)的比降平均值J;計(jì)算每一流量區(qū)間的造床流量作用值 σQmJP;點(diǎn)繪每一流量區(qū)間的Q和σQmJP關(guān)系圖,擬合曲線,曲線峰值對應(yīng)的流量即造床流量.

馬卡維也夫在計(jì)算造床流量作用值時(shí)引入了灘地作用系數(shù)σ[3].他認(rèn)為,當(dāng)水位上升漫過灘地時(shí),下墊面糙率增大,平均水深減少,導(dǎo)致平均流速及輸沙率減小,這種現(xiàn)象稱之為“運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)”.水位繼續(xù)升高,水深增大,相對粗糙高度減小,流速重新增大.σ取值如下:無灘地或水流上灘前,σ=1;上灘后,灘地寬度小于2倍主槽寬,σ=0.9;灘地寬度大于10倍主槽寬,σ=0.5;灘地寬度大于2倍主槽寬,小于10倍主槽寬,σ=0.5～0.9.

由以上計(jì)算步驟可知,馬卡維也夫法較全面地考慮了沖積河流造床的作用:既考慮了所計(jì)算時(shí)段的整個(gè)水沙過程,又考慮了河床邊界條件(河流沖積性,水位、比降的關(guān)系);既考慮了水流大小(即強(qiáng)度)的作用,又考慮了水流隨持續(xù)時(shí)間的作用.

1.1.1 資料的選取

由造床流量的定義可知,造床流量具有時(shí)間的概念,選取不同的時(shí)段資料,計(jì)算出的造床流量也不相同.如何選取資料,主要取決于河流的具體情況以及研究目的.本文旨在分析水流河床相互作用達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的造床流量,以建立河相關(guān)系,故盡可能選取長系列資料,但必須考慮資料系列的一致性.淮河中游各測站50多年來的流量系列較穩(wěn)定,并未出現(xiàn)連續(xù)單向偏豐或偏枯,故本文計(jì)算選取1950～2007年淮河中游各測站長期日平均流量系列.

與文獻(xiàn)[1]計(jì)算比較,本文計(jì)算增加了小柳巷站;資料系列延長了15a,能反映近15 a河道來水來沙、洪水調(diào)度、河道整治及可能的人類活動(dòng)對造床流量的綜合影響;計(jì)算保留了1000m3/s以下流量級資料,充分考慮了該流量級長期造床結(jié)果,能更全面反映真實(shí)情況.

圖1 吳家渡站流量-輸沙率關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between discharge and sediment discharge rate at Wujiadu hydrological station

1.1.2m值的確定

馬卡維也夫法中的m值源于水流輸沙率Qs和流量Q、水面比降J關(guān)系,即Qs～QmJ.通常Qs隨水面比降的變化相對較小,因此可以忽略水面比降J變化對其的影響[9-10],建立Qs～Qm關(guān)系.選取日平均Qs～Q進(jìn)行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)相關(guān)性較差,難以確定m值.因此,馬卡維也夫法中推薦[9-10]平原河流取m=2.根據(jù)有關(guān)研究[11],可采用多年月均流量與多年月均輸沙率關(guān)系確定m值.統(tǒng)計(jì)分析表明,淮河干流各主要測站多年月均Qs～Q之間相關(guān)關(guān)系較好,圖1為吳家渡站多年月均輸沙率與多年月均徑流量的關(guān)系曲線.由此計(jì)算各站m值如下:王家壩站1.867,潤河集站1.337,魯臺子站1.557,吳家渡站1.576,小柳巷站1.892.由實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)分析的m值接近馬卡維也夫法的推薦值2,因此,在本文的計(jì)算中各站m值均采用上述計(jì)算的結(jié)果.目前工程計(jì)算也多采用該方法[9-10].

圖2 吳家渡站流量比降關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between discharge and water surface gradient at Wujiadu hydrological station

1.1.3 流量比降關(guān)系確定

平原河道水位-流量關(guān)系曲線為繩套曲線,即呈多值函數(shù)關(guān)系,導(dǎo)致流量-比降函數(shù)關(guān)系也是多值的.根據(jù)馬卡維也夫法定義,為反映河道長期的平均造床效果,本文以50m3/s為1個(gè)流量級,將典型洪水年實(shí)測流量進(jìn)行分級,然后計(jì)算每個(gè)流量級對應(yīng)的平均流量和平均比降,再點(diǎn)繪Q～J關(guān)系.計(jì)算結(jié)果表明,該計(jì)算方法可有效減少水面比降J的變化幅度,減少比降確定的誤差(如圖2所示).

1.1.4 馬卡維也夫法計(jì)算結(jié)果

王家壩、潤河集、魯臺子、吳家渡、小柳巷5個(gè)測站σQmJP～Q曲線均呈現(xiàn)1個(gè)峰值范圍,圖3為吳家渡站計(jì)算結(jié)果曲線.

按照馬卡維也夫法定義,峰值范圍內(nèi)對應(yīng)流量的均值即為造床流量.王家壩、潤河集、魯臺子、吳家渡4站σQmJP～Q曲線變化趨勢基本一致,小柳巷站有所差別.分析其原因:(a)前4站的時(shí)間系列為1950(1951或1952)～2007年;小柳巷站于1981年設(shè)站,選用系列為1982～2007年,期間1989年6月23日～1993年3月31日缺測,系列資料較短,短系列資料難以全面反映天然河道的造床過程.(b)小柳巷站位于浮山以下7km處,已明顯受洪澤湖蓄水頂托影響,河床演變由浮山以上的緩慢下切過渡到洪山頭以下的緩慢淤積,其水流造床作用規(guī)律有別于浮山以上各站.由馬卡維也夫法計(jì)算各站造床流量,取值范圍如下:王家壩1 200～1400m3/s,潤河集1600～2000m3/s,魯臺子2 900～3300m3/s,吳家渡3200～4000m3/s,小柳巷4400～4600m3/s.

圖3 吳家渡站 σ QmJP～Q關(guān)系Fig.3 Relationship between σ QmJP and discharge at Wujiadu hydrological station

1.2 平灘流量法

平灘流量法[1-5]認(rèn)為,當(dāng)河道水位達(dá)到河漫灘灘緣高度(即平灘水位)時(shí)水流造床作用最強(qiáng),相應(yīng)的流量為造床流量,也稱為平灘流量.該方法簡單直觀,多為工程上應(yīng)用.其缺點(diǎn)在于有時(shí)河段的灘地高程起伏較大,平灘水位不易確定;此外,如果斷面的水位流量關(guān)系不穩(wěn)定,也給確定平灘流量造成困難.

自1965年以來,各斷面灘唇高程有所淤高,但總體上基本穩(wěn)定.根據(jù)歷年實(shí)測斷面平均灘地高程,并參考各測站上下游10km河段1992年實(shí)測斷面確定的灘唇高程,綜合考慮選取各斷面平灘水位,如表2所示.

各站水位-流量關(guān)系是多值關(guān)系,這是由水位-流量關(guān)系繩套曲線的特性決定的.平灘水位確定的流量也是一個(gè)范圍,是根據(jù)水位-流量關(guān)系的上包線和下包線確定的[12],流量變化值較馬卡維也夫法范圍更大.由平灘流量法推求的各站造床流量見表2.

表2 淮干中游各水文測站平灘水位高程和平灘流量Table 2 Bankfull stages and discharges at various hydrological stations in the middle reaches of Huaihe River

2 造床流量計(jì)算結(jié)果分析

由于平原河道水位-流量關(guān)系是繩套曲線關(guān)系,Q～H,Q～J為多值函數(shù).在馬卡維也夫法中流量Qi對應(yīng)的Ji是這個(gè)流量范圍內(nèi)的比降平均值Ji平均,Ji平均的確定會給造床流量帶來一定的誤差.在平灘流量法中,首先平灘水位的確定有一定的誤差;其二,即使同一平灘水位,對應(yīng)平灘流量的范圍值也很大,比Ji帶來的敏感度更大,誤差相應(yīng)增大.2種方法計(jì)算結(jié)果比較見表3.

表3 淮干各站造床流量與平灘流量Table 3 Dominant discharges and bankfull discharges at various hydrological stations in the middle reaches of Huaihe River

由表3可以看出,這2組值比較接近,并且流量變化范圍也有重合部分.綜合分析,王家壩、潤河集、魯臺子、吳家渡4站以馬卡維也夫法計(jì)算結(jié)果為主,小柳巷站以平灘流量法計(jì)算結(jié)果為主,推薦的中游各段造床流量為王家壩站(王家壩—潤河集之間河段)1300m3/s;潤河集站(潤河集—正陽關(guān)之間河段)1900m3/s;魯臺子站(正陽關(guān)—渦河口之間河段)3200m3/s;吳家渡站(渦河口—浮山之間河段)3500m3/s;小柳巷站(浮山—洪山頭之間河段)3600m3/s.此外,從各站推薦的造床流量來看,總體上呈沿程增大的趨勢,特別是潤河集—魯臺子造床流量增加較多,這是由于淮河中游來水主要集中在魯臺子附近匯入,流量增幅較大所致.

3 淮干中游河道造床流量特性分析

河道來水來沙過程、輸水輸沙特性、河床邊界條件及其對水沙過程的響應(yīng)等內(nèi)外因素共同決定河道縱橫斷面特性,造床流量是綜合反映河道來水來沙過程及輸水輸沙特性長期影響的一個(gè)特征流量.對于某一具體的河流,輸水輸沙是緊密相連的,反映河道來水來沙的特征參數(shù)能間接反映輸水輸沙的綜合作用狀況.反映河道來水來沙的主要水力參數(shù)有年平均流量(或徑流總量)、汛期平均流量(或30d,60d,90d總洪量)、最大洪峰流量等.從造床流量的定義及內(nèi)涵分析,這些特征參數(shù)與造床流量間必然存在一定的聯(lián)系.

表4 造床流量與特征流量的比值Table 4 Ratios of dominant discharges to characteristic discharges

式(1)反映了汛期、非汛期造床流量的綜合作用,更符合造床流量的定義和內(nèi)涵.利用式(1),可以推求淮河干流中游各河段造床流量.

4 結(jié) 論

a.根據(jù)1950～2007年實(shí)測水文資料系列,采用馬卡維也夫法和平灘流量法對對淮河中游干流河道造床流量進(jìn)行計(jì)算,推薦各河段造床流量值為:王家壩—潤河集河段1300m3/s;潤河集—正陽關(guān)河段1900m3/s;正陽關(guān)—渦河口河段3200m3/s;渦河口—浮山河段3500m3/s;浮山—洪山頭河段為3600m3/s.

b.本文計(jì)算中,保留了1000m3/s流量級以下實(shí)測水沙資料,利用全部實(shí)測資料進(jìn)行計(jì)算,能反映各流量級的綜合造床作用;在馬卡維也夫法中,m值取各站實(shí)測計(jì)算值,能反映該河段的輸沙特性;J取各站流量級對應(yīng)均值,減少了由Q確定J帶來的誤差.

c.對淮河中游各河段造床流量的特性和統(tǒng)一規(guī)律進(jìn)行了初步探討,造床流量與年平均流量和汛期平均流量相關(guān)性良好,歸納出中游河段造床流量經(jīng)驗(yàn)公式,可供中游河道整治規(guī)劃設(shè)計(jì)參考.

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