余超宇

（中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430000）

潛山站位于大別山南麓峽口沖積平原地帶，河床受沖淤變化影響較大，1965年～2019年實(shí)測(cè)大斷面資料顯示河床平均河底高程總體下降2.66 m，分析河床變動(dòng)特征趨勢(shì)及水文（水位、流量等）要素關(guān)系的影響等拓展研究具有實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

潛山水文站位于潛水河左岸，潛山市梅城鎮(zhèn)太平村內(nèi)，測(cè)站功能為大別山區(qū)500 km2～1000 km2控制站，兼防汛抗旱、水資源管理和水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

測(cè)驗(yàn)河段順直，斷面近似于梯形，最大河寬400 m，砂質(zhì)河床，局部沖淤不定。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，氣候溫和濕潤，降水量豐沛，光照充足，無霜期長，四季分明，雨熱同季，季風(fēng)氣候十分顯著［1］，多年平均氣溫16.5℃。

流域降水年際變化較大，年內(nèi)分配極不均勻，地區(qū)間也不盡一致，多年平均降水量在1300 mm～1600 mm，年降雨量由上游山區(qū)向下游丘圩區(qū)遞減。多年平均暴雨次數(shù)為5.2次，時(shí)間多集中在6月、7月。歷年最高水位31.82 m（1969.7.14），歷年最大流量4510 m3/s。山區(qū)性河流產(chǎn)匯流時(shí)間較短，洪水漲得陡、落得緩，漲水歷時(shí)變幅2 h～10 h，洪峰滯時(shí)變幅0.2 h～0.5 h，洪水流速大、含沙量大，受河床沖淤變化影響，水位流量關(guān)系復(fù)雜多變［2］。

2 河床沖淤變化統(tǒng)計(jì)分析

2.1 河床沖淤統(tǒng)計(jì)分析

收集1965年～2019年系列年份潛山站水文要素?cái)?shù)據(jù)樣本，計(jì)算分析大斷面沖淤變化特征，系列年中最大年平均河底高程為28.09 m（1965年），最小年平均河底高程25.43 m（2019年），多年平均河底高程為27.04 m，點(diǎn)繪統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)潛山站大斷面多年河床平均高程趨勢(shì)圖（圖1），圖中分析顯示潛山站大斷面分析系列呈現(xiàn)沖淤變化相對(duì)平穩(wěn)-單邊下切的特點(diǎn)，55年間平均河底高程下降2.66 m，年均下降率0.05 m，沖淤變化相對(duì)平穩(wěn)時(shí)間段為1965年～2000年，36年間總體降低0.79 m，其中，1965年～1975年間，位于河床穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)間約束尺度組內(nèi)趨于下降趨勢(shì)，高于多年平均河底高程在0.59 m～1.05 m之間；1975年～1996年之間，河床沖淤呈現(xiàn)交替變化趨勢(shì)；1996年～2000年間河床呈沖刷趨勢(shì)，趨勢(shì)較緩慢。2000年～2019年河床沖刷趨勢(shì)增快，2019年間下降1.87 m，年河床平均河底高程下降率為0.09 m［3］。

圖1 潛山站大斷面多年河床平均高程趨勢(shì)圖

以1965年～2019年實(shí)測(cè)大斷面資料為基礎(chǔ)，做大斷面相對(duì)沖刷度及淤積度分析，系列年中相對(duì)淤積度排位前三的分別為4.29%、4.07%、4.03%，發(fā)生年份為1991年、1980年、1983年。以相對(duì)淤積度最大的1991年為例，在1991年～1983年有長達(dá)9年的時(shí)間未發(fā)生該站歷史排位前5的洪水，從相對(duì)淤積度分析來看，當(dāng)多年未發(fā)生洪水的間隔期越長，相對(duì)淤積度發(fā)生的概率就越大，體現(xiàn)了河床淤積度的大小和河床當(dāng)年以前長時(shí)間段是否發(fā)生大洪水的事件有一定的聯(lián)系。2000年前后隨著潛山市經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)布局的調(diào)整，房地產(chǎn)行業(yè)的興起，對(duì)河道采砂需求量增大，導(dǎo)致河床下切速度加快，系列年相對(duì)沖刷度排位前三的分別是5.95%、5.62%、5.44%，相對(duì)應(yīng)年份為2019年、2018年、2017年。排位前三的年份緊鄰相隔顯示，在單邊下切的分析區(qū)間段（2000年～2019年）內(nèi)人類因素的影響是河床沖淤變化影響失去平衡的主要原因，河道沖淤保持平衡基本狀態(tài)遭到破壞，且一定時(shí)間段內(nèi)難以恢復(fù)至河床沖淤穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 河床沖淤變化突變分析

采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、累計(jì)距平法、有序聚類法對(duì)潛山站多年平均河底高程進(jìn)行突變及趨勢(shì)檢驗(yàn)，在顯著性水平0.05的顯著性檢驗(yàn)中，三種檢驗(yàn)方法均通過顯著性檢驗(yàn)，有序聚類法中統(tǒng)計(jì)參數(shù)S值最大為9.07，遠(yuǎn)大于t（1-a/2）=1.64，突變臨界點(diǎn)顯現(xiàn)于2000年前后一年的區(qū)間內(nèi)，趨勢(shì)分析顯示該站多年平均河底高程呈現(xiàn)總體下降的趨勢(shì)，尤其在2000年后呈現(xiàn)明顯加快趨勢(shì)。潛山站多年平均河底高程多種方法突變及趨勢(shì)分析統(tǒng)計(jì)表見表1，潛山站多年平均河底高程多種方法突變及趨勢(shì)分析對(duì)比圖見圖2。

表1 潛山站多年平均河底高程多種方法突變及趨勢(shì)分析統(tǒng)計(jì)表

圖2 潛山站多年平均河底高程多種方法突變及趨勢(shì)分析對(duì)比圖

2.3 典型場(chǎng)次復(fù)式洪峰過程大斷面變化分析

以”910708”進(jìn)行典型年場(chǎng)次洪峰大斷面分析，該場(chǎng)次洪峰起漲快，峰高量大，主洪峰水位歷史排位第3，洪峰峰形過程為復(fù)式峰，次洪峰水位30.56 m，主洪峰水位31.04 m，峰頂時(shí)距36 h，相應(yīng)流量分別為1150 m3/s、2180 m3/s。最低垂線點(diǎn)高程分別為27.70 m、27.08 m。本次復(fù)式峰洪峰過程造成河床沖刷深度0.62 m。河道過洪流量的大小是造成河床下切，引起河底高程沖淤變化的主要因素。

對(duì)比分析1991年汛前汛后大斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行大斷面點(diǎn)沖刷及點(diǎn)淤積分析，本次洪峰引起大斷面的點(diǎn)沖刷范圍主要分布在起點(diǎn)距77.3 m～122.2 m之間，沖刷深度在0 m～0.62 m之間；淤積體主要分布在斷面垂線起點(diǎn)距241.8 m～296.6 m區(qū)間，淤積高度在0～0.48 m之間。因洪峰峰高量大，推移主槽中泓斷面向右岸偏移50 m?！?10708”號(hào)洪峰沖淤分析顯示，河床總體呈現(xiàn)下切態(tài)勢(shì)，下切最大沖刷深度0.62 m，河床大斷面點(diǎn)沖淤分析顯示局部范圍有沖淤交替出現(xiàn)的態(tài)勢(shì)。

3 拓展分析

3.1 河床沖淤變化對(duì)水位流量關(guān)系影響

河道橫斷面上的流速分布是不均勻的，橫斷面上的任意點(diǎn)的流速與該點(diǎn)在斷面上的位置有關(guān)，即它是水深和水面寬的函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

則通過全斷面的流量可用積分法表示：

式中：Q為全斷面流量，m3/s；v為斷面上某一點(diǎn)的流速，m3/s；b為斷面上某一點(diǎn)的起點(diǎn)距，m，寬度積分變量；h為垂線某一點(diǎn)的水深，m，水深積分變量；H為垂線水深，m；B為全斷面寬度，m。

用式（2）計(jì)算的流量相當(dāng)于流量模型的總體積，因函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，很難用積分式精確推算Q，把積分式轉(zhuǎn)換成有限元推算流量，即用若干個(gè)垂直于橫斷面的平面，將流量橫切成n塊體積，每一個(gè)體積即為一部分流量，在各測(cè)速垂線上測(cè)深、測(cè)速，并測(cè)定各垂線的起點(diǎn)距，即可計(jì)算部分流量，各部分流量之和即為全斷面的流量，則式（2）轉(zhuǎn)換為有限元求和表達(dá)式（3）：

式中：Hi為第i條垂線代表的部分水面寬度，m；Bi為第i條垂線代表的部分水面寬度，m；vˉi為第i條垂線代表平均流速，m3/s。

由式（3）可得流量大小與水面寬、水深、平均流速有關(guān)［4］。沖淤平衡的穩(wěn)定河床、同一水位下，影響河道過洪因子之一的平均流速相等或基本接近，過洪流量中影響權(quán)重趨小。為研究大斷面河床沖淤變化對(duì)水位流量關(guān)系的影響情況，僅考慮大斷面面積變化的影響因子。穩(wěn)定流狀態(tài)下，水位-流量線成單一線分布，同一水位對(duì)應(yīng)流量相同或基本接近。當(dāng)大斷面發(fā)生淤積變化時(shí)，泥沙淤（沖）積體系統(tǒng)占用（或系統(tǒng)減小）河道過水面積，使得穩(wěn)定流狀態(tài)下水位流量關(guān)系發(fā)生變化，當(dāng)河床產(chǎn)生淤積時(shí)，同一水位下，河床過水面積減小，則淤積流量Q1＜穩(wěn)定流量Q0，相反，大斷面產(chǎn)生沖刷時(shí)，淤積流量Q1＞穩(wěn)定流量Q0［5］。由式（1）可知流速是水深和水面寬的函數(shù)，同一水位水面寬相同，則式（3）流量Q的大小最終取決于水深變化的大小。當(dāng)河床存在沖淤變化的時(shí)候，水深變化大小近似等于河床沖淤前后河底高程差值Δh。

點(diǎn)繪發(fā)生沖淤變化的典型年1991年、1996年、1999年、2012年、2016年、2019年水位流量關(guān)系圖，以接近多年平均河床高程的1999年為對(duì)比年份，圖中顯示當(dāng)河床發(fā)生淤積的年份，水位流量關(guān)系明顯偏左于1999年水位流量關(guān)系，1991年較1999年河床淤積1.0 m，1991年水位30.50 m對(duì)應(yīng)流量1150 m3/s，而1999年同水位下流量2250 m3/s；相對(duì)誤差-48.9%，偏小近0.5倍。而對(duì)于河床沖刷變化比較明顯的2016年，水位流量關(guān)系點(diǎn)帶群明顯偏右，2016年河床沖刷下切較1999年下降1.43 m，水位29.50 m時(shí)，1999年流量800 m3/s，2016年流量2410 m3/s，相對(duì)誤差201%，偏大近2倍?？偹?流量關(guān)系總帶群呈現(xiàn)無規(guī)律可循，散亂無章，潛山站典型年水位流量關(guān)系線對(duì)比圖見圖3。

圖3 潛山站典型年水位流量關(guān)系線對(duì)比圖

考慮沖淤變化因子，以典型大水年1991年、1996年、1999年、2012年、2016年、2019年為分析樣本，以平均河底高程接近多年均值的1999年水位流量要素關(guān)系點(diǎn)帶群為改正基線，分別對(duì)其他典型大水年份予以沖淤變化改正，流量關(guān)系點(diǎn)依據(jù)各年度河床平均河底高程相對(duì)于1999年河床河底高程平均值的差值Δh作為水位校正依據(jù)，校正后分析樣本中典型年水位流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)群成明顯的條帶狀分布，潛山站沖淤改正后水位-流量綜合關(guān)系曲線見圖4。

圖4 潛山站沖淤改正水位-流量綜合關(guān)系曲線圖

對(duì)改正后的受沖淤變化水位流量關(guān)系（圖4）進(jìn)行三項(xiàng)檢驗(yàn)［6］，在顯著性水平a=0.10偏離數(shù)值檢驗(yàn)|t|=0.11＜1.73；通過檢驗(yàn)；顯著性水平a=0.25，符號(hào)檢驗(yàn)U=-0.71＜1.15；適線檢驗(yàn)：U=-0.71，免檢，水位流量關(guān)系改正后曲線三項(xiàng)檢驗(yàn)通過表明改正思路具有一定的實(shí)際操作性。

3.2 受沖淤影響洪峰水位因子預(yù)報(bào)實(shí)例分析

潛山站2020年“200616”號(hào)洪峰降雨影響過程自6月11日5時(shí)開始，主降雨過程在6月15日，面平均降雨124.6 mm，場(chǎng)次洪水起漲時(shí)間6月15日18時(shí)，起漲水位25.66 m，洪峰洪峰峰頂水位28.58 m（實(shí)測(cè)值），水位總變幅2.92 m。本站點(diǎn)新安江模型預(yù)報(bào)擬合自2020年6月15日21時(shí)開始滾動(dòng)預(yù)報(bào)，16日0時(shí)滾動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果洪峰流量1720 m3/s，洪峰水位因子考慮大斷面沖淤變化影響，依據(jù)圖4水位流量綜合關(guān)系曲線推求水位，2019年汛后大斷面平均河底高程25.48 m，較多年平均河底高程低1.56 m，依據(jù)預(yù)報(bào)洪峰流量所對(duì)應(yīng)的水位同步減去河床平均河低高程差值即可得洪峰水位值28.39 m。與實(shí)測(cè)洪水水位差值為0.19 m。

3.3 相鄰區(qū)域河流沖淤變化水位流量關(guān)系改正分析

選擇臨近流域青草塥河沙河埠站作沖淤水位流量關(guān)系線改正驗(yàn)證，收集該站近10年洪峰資料中場(chǎng)次洪峰排位第一（2016年）、第二（2012年）；分別點(diǎn)繪2016年主場(chǎng)次洪峰過程（年度第10條水位流量關(guān)系線）、2012年度主場(chǎng)次洪峰過程（年度第7條水位流量關(guān)系線）；受沖淤變化的影響，相同水位下流量數(shù)值相差較大［7］。以水位47.0 m為例，2016年流量為1740 m3/s，2012年流量為1180 m3/s，相差幅度為47.5%，為對(duì)河床進(jìn)行沖淤變化改正前，2016年、2012年2條水位流量關(guān)系線分別成2條帶狀分布；2016年河床比較2012年河床變化降低0.64 m，改正后水位流量關(guān)系呈一條帶狀分布，沙河埠站受沖淤變化改正前后對(duì)比圖見圖5［8］。

圖5 沙河埠站受沖淤變化改正前后水位流量關(guān)系對(duì)比圖

4 結(jié)語

（1）潛山站多年平均河底高程27.04 m，2000年以前，潛山站大斷面總體呈現(xiàn)淤積態(tài)勢(shì)，局部年份沖淤相互交替。受人為采砂因素影響。2000年以后呈現(xiàn)單邊下切的趨勢(shì)；典型年受沖淤變化影響的水位流量關(guān)系樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過改正后，樣本數(shù)據(jù)群呈單一線分布；受沖淤變化分析改正方法對(duì)臨近同類型的地區(qū)也一定程度適用。

（2）由于Q還受河底坡降和糙率的影響，以大斷面沖淤變化分析改正一定程度上影響該站受沖淤變化的水位流量改正成果。

（3）影響該站水位流量關(guān)系的綜合影響因子（洪水漲落率、區(qū)間水利工程蓄棄水影響等）在場(chǎng)次洪峰的驅(qū)動(dòng)因素分析也是以后需要分析解決的課題之一。