胡偉

（湖南省衡陽(yáng)水文水資源勘測(cè)中心，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引言

河流上游向下游持續(xù)輸送泥沙所造成的后果，主要是河床高度上升，若不盡快解決該問(wèn)題，將給泥沙所具有輸出能力產(chǎn)生不良影響，甚至?xí)?dǎo)致河水泛濫，久而久之，不僅會(huì)致使水庫(kù)容積大幅減少，還會(huì)使河床建筑物性能受到損害。為避免上述情況出現(xiàn)，各國(guó)學(xué)者紛紛選擇對(duì)流沙問(wèn)題成因進(jìn)行研究。

1 觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況

1.1 流域概況

本次所觀測(cè)流域?yàn)闆λ饔颍▓D1），該流域位于東經(jīng) 112°51′~114°00′、北緯 26°15′~27°10′，發(fā)源地為油榨嶺，途經(jīng)河漠水、攸水和茶水等多個(gè)支流，最終注入湘江。該河流域的全長(zhǎng)為297km，實(shí)測(cè)流域面積為10327km2，坡降平均值在1.02‰左右。

圖1 觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

洣水流域位于湘東丘陵地區(qū)，整體地勢(shì)為西北低、東南高，平均海拔高度為50~200m。上游降水充沛且植被良好，擁有豐富的水資源，下游地勢(shì)較為平坦。由于洣水流域是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨多集中在4—7 月，地域分配具有上游多下游少的特點(diǎn)，強(qiáng)降雨歷時(shí)以1d較為常見(jiàn)。該流域洪水多由強(qiáng)降雨形成，其時(shí)空變化特征和強(qiáng)降雨特征相同，4—9 月是汛期，其中，4—7 月是洪水高發(fā)期。該流域干流及支流均建有水利水電工程，隨著工程投入運(yùn)行，河道水量變得更加均衡，其中，給衡東站測(cè)驗(yàn)產(chǎn)生較大影響的工程為洋塘河壩、甘溪水電站。

1.2 測(cè)站概況

衡東水文站的坐標(biāo)為東經(jīng)112°56′22.4″，北緯27°05′46.9″，測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水位和泥沙等。該站洪水多由降水產(chǎn)生，呈現(xiàn)形式以單峰型為主，具有峰型肥胖、漲落平緩的特點(diǎn)[1]。自主峰雨停止到洪峰形成，通常需要等待20h，洪峰可維持2~3h，沙峰可維持2h 左右，大型洪水可維持約7d。湘江和本流域均出現(xiàn)洪水時(shí)，回水頂將被托至監(jiān)測(cè)斷面，考慮到該站極易受到湘江回水頂托以及下游河壩影響，有關(guān)人員決定對(duì)測(cè)驗(yàn)斷面位置進(jìn)行搬遷。搬遷后測(cè)驗(yàn)斷面的水文特征值見(jiàn)表 1、表 2。

表1 衡東水文站歷年特征值

表2 衡東水文站多年平均值

1.3 測(cè)驗(yàn)河段和斷面情況

測(cè)驗(yàn)河段的順直長(zhǎng)度在800m 左右，河床寬度約為350m，屬于典型的收縮河段。左岸是山丘，右岸是衡東防洪堤，該防洪堤的高程為56.9m。河心存在一沙洲，在低水、中水情況下，沙洲將該河段的河道分為兩部分，當(dāng)河段水位達(dá)到53m 時(shí)，沙洲將被河水淹沒(méi)。主航道位于左股水流的250m 處，衡東大橋位于斷面上游約2km處，下游2km 附近存在一彎道，即為該觀測(cè)站的控制斷面。甘溪河壩位于該河段上游約13.5km 處，該河壩裝有17 孔弧型閘門，同時(shí)具有放電發(fā)水的功能，極易給本站水位產(chǎn)生影響。下游9km 為洋塘河壩，若水位未達(dá)到47.8m，回水托頂將給水位流量產(chǎn)生巨大影響，布設(shè)測(cè)驗(yàn)點(diǎn)的難度隨之增加。

2 觀測(cè)設(shè)備

觀測(cè)所用設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備以下4 項(xiàng)功能：①可對(duì)水面至河床間的水流進(jìn)行取樣，同時(shí)對(duì)樣品中所含泥沙進(jìn)行分離。②可在少量水流中對(duì)研究所需樣品進(jìn)行平穩(wěn)取樣。③可準(zhǔn)確把握取樣點(diǎn)附近泥沙粒徑、泥沙量與時(shí)間的關(guān)系。④可對(duì)河段斷面水流進(jìn)行取樣，并且保證取樣點(diǎn)位于水流的中心[1]。另外，要想保證收集設(shè)備可發(fā)揮出應(yīng)有作用，還應(yīng)重視以下兩方面內(nèi)容：①保證對(duì)流量進(jìn)行觀測(cè)的過(guò)程中，收集所用設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)任何機(jī)械故障。②取樣所用吊桶形狀符合要求，既能夠被用來(lái)對(duì)水面進(jìn)行取樣，同時(shí)也能夠在河床上進(jìn)行取樣[2]。觀測(cè)設(shè)備如圖2 所示。

圖2 觀測(cè)設(shè)備

3 觀測(cè)方法

3.1 獲取樣品

出于對(duì)泥沙實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確了解的考慮，有關(guān)人員指出應(yīng)在連續(xù)漲水期間進(jìn)行取樣，同時(shí)在落水時(shí)、最大時(shí)刻進(jìn)行取樣。通過(guò)實(shí)地勘測(cè)的方式，對(duì)河水渾濁程度、漲落程度進(jìn)行確認(rèn)，根據(jù)氣象雷達(dá)針對(duì)短時(shí)降雨所做出預(yù)測(cè)，對(duì)取樣的時(shí)機(jī)和兩次取樣工作的間隔加以確定。除特殊情況外，均應(yīng)將相鄰兩次觀測(cè)工作的間隔定為1h，每次需要連續(xù)觀測(cè)約7h，保證觀測(cè)所獲得數(shù)據(jù)具有實(shí)際意義。一旦出現(xiàn)河水渾濁或是流量激增的情況，可酌情增加觀測(cè)次數(shù)，以免出現(xiàn)觀測(cè)工作無(wú)法如實(shí)反映河流情況的問(wèn)題[3]。

3.2 測(cè)算樣品

3.2.1 測(cè)算步驟

對(duì)采集所得樣品進(jìn)行分離，獲得相應(yīng)的水樣品和泥沙樣品。將取樣所得泥沙進(jìn)行分層，一般可將其分成兩層，下層是沉降區(qū)，上層是渾濁區(qū)，將渾濁區(qū)水樣轉(zhuǎn)移到其他容器中，保證轉(zhuǎn)移水樣的體積在1.5L 左右，利用所轉(zhuǎn)移水樣對(duì)懸移質(zhì)數(shù)量進(jìn)行測(cè)算。

3.2.2 測(cè)算項(xiàng)目

本研究所測(cè)定項(xiàng)目主要包括以下幾類：當(dāng)?shù)亟涤炅浚恿魉患皩挾?，河水流速，采樣體積和質(zhì)量，分離所得樣品的水質(zhì)，樣品泥沙質(zhì)量。取樣的過(guò)程中對(duì)溢洪道當(dāng)前水文條件進(jìn)行分析，在取樣所用吊桶上游安裝水位測(cè)定儀，借助超聲波水位計(jì)對(duì)實(shí)際水位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。利用吊桶上游所設(shè)置浮子對(duì)河水流速進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)目測(cè)的方式，確定水流大致寬度。直接對(duì)樣品水流量、泥沙量進(jìn)行稱重，根據(jù)大罐內(nèi)部各方位所標(biāo)注刻度對(duì)體積進(jìn)行計(jì)算。在完成分離樣品的工作后，分別對(duì)樣品泥沙質(zhì)量和水質(zhì)量加以確定，根據(jù)計(jì)算所得出數(shù)據(jù)，對(duì)泥沙粒度的分布情況進(jìn)行明確。

3.3 泥沙觀測(cè)要點(diǎn)

對(duì)河流泥沙進(jìn)行測(cè)定的切入點(diǎn)，主要涉及以下兩個(gè)方面。

（1）泥沙粒徑。若以粒徑大小為依據(jù)，可將常見(jiàn)泥沙顆粒劃分成粘粒和卵石等幾大類，大粒徑泥沙往往需要跟隨水流在河床的底部滾動(dòng)或是滑動(dòng)，小粒徑泥沙則能夠在水流所形成擴(kuò)散作用的影響下，持續(xù)懸浮在水體中部或上部，通常被用來(lái)對(duì)水體污染物進(jìn)行吸附。對(duì)泥沙粒徑進(jìn)行測(cè)量的方法較多，其中，使用頻率較高的方法為超聲測(cè)量，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是根據(jù)不同介質(zhì)中聲波所形成聲能衰減和顆粒所具有散射特性，對(duì)其濃度和實(shí)際力度進(jìn)行測(cè)量?？紤]到超聲頻率所對(duì)應(yīng)頻帶往往較寬，可被用來(lái)對(duì)毫米顆粒、納米顆粒進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)聲波具有極強(qiáng)的傳統(tǒng)率，在對(duì)濃度較高的顆粒進(jìn)行測(cè)量方面，通常能夠具有較其他方法更加突出的表現(xiàn)，即使不對(duì)樣品進(jìn)行稀釋，也可獲得真實(shí)且準(zhǔn)確的結(jié)論。

（2）含沙量。單位體積樣品所包含泥沙總量即為含沙量，一般來(lái)說(shuō)，河流實(shí)際含沙量與檢測(cè)時(shí)間密切相關(guān)，汛期的含沙量較其他時(shí)間更大，若河流處于枯水期，則其含沙量普遍低于平均值。在有洪水發(fā)生時(shí)，觀測(cè)所得含沙量最大值極為沙峰，這里需要注意一點(diǎn)，即洪峰和沙峰間并不存在直接關(guān)聯(lián)。目前，測(cè)量泥沙濃度的技術(shù)已趨于成熟，其中，最具代表性的技術(shù)為超聲波測(cè)量。

若觀測(cè)流域存在滑坡地，則較易由于降雨而引起滑坡問(wèn)題，導(dǎo)致泥沙量激增，進(jìn)而使下游河水變得更加渾濁。為避免河水渾濁度給觀測(cè)工作造成不利影響，有關(guān)人員決定以滑坡地實(shí)際面積為依據(jù)，在下游適當(dāng)位置增設(shè)濁度計(jì)，用來(lái)對(duì)河水渾濁程度進(jìn)行分析，如圖3、圖4 所示。

圖3 2019 年 7 月 9 號(hào)洪水

圖4 衡東水文站輔助斷面大斷面圖

4 觀測(cè)結(jié)果分析

4.1 觀測(cè)所得數(shù)據(jù)

有關(guān)人員選擇在臺(tái)風(fēng)季節(jié)進(jìn)行取樣，并將取樣點(diǎn)設(shè)置在溢洪道斷面?？紤]到溢洪道取樣難度較大，僅能通過(guò)預(yù)估的方式對(duì)河流泥沙量、流量加以確定。在不更改吊桶流入狀態(tài)的前提下，對(duì)樣品沉降區(qū)、渾濁區(qū)所包含泥沙的質(zhì)量濃度進(jìn)行計(jì)算。在堆積沙面對(duì)河床坡度進(jìn)行測(cè)量所得數(shù)據(jù)是1/15，對(duì)應(yīng)懸移質(zhì)粒徑在2~9mm之間，若泥沙質(zhì)量濃度達(dá)到最大，粒徑最大值可達(dá)到300mm。在觀測(cè)過(guò)程中，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)強(qiáng)降雨的概率在45%左右。

4.2 泥沙和流量的比值

通過(guò)對(duì)過(guò)去兩年間當(dāng)?shù)亟涤炅孔顬槌渑鏁r(shí)的河水進(jìn)行取樣并分析，結(jié)果表明，泥沙、流量間存在著極為緊密的聯(lián)系，并且二者的關(guān)系為正相關(guān)，其中，泥沙均處于10-7~1，而流量處于10-1~10（2可劃分出3 個(gè)等級(jí)）。由此可見(jiàn)，每增加1 個(gè)流量等級(jí)，對(duì)應(yīng)泥沙量可增加3 個(gè)等級(jí)或4 個(gè)等級(jí)。另外，對(duì)泥沙量進(jìn)行分析可知，懸移質(zhì)沖刷量的占比極大，通常可達(dá)到80%，特殊情況下，其占比可能減少到50%，但通常不會(huì)達(dá)到100%。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)本次觀測(cè)的河流而言，懸移質(zhì)沖刷量在泥沙總流量中的占比較大，通?？蛇_(dá)到約80%。通過(guò)觀測(cè)可知，該河流的流量處于10-1m3/s~10m3/s，對(duì)比其他河流觀測(cè)所得出數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，該河流懸移質(zhì)量較其他河流略大。未來(lái)應(yīng)加大對(duì)大洪水泥沙量進(jìn)行觀測(cè)的力度，結(jié)合其他機(jī)構(gòu)所提供數(shù)據(jù)展開(kāi)評(píng)價(jià)，使觀測(cè)工作所具有價(jià)值得到充分發(fā)揮。