李金鑫

(安徽省滁州水文水資源局，安徽 滁州 239000)

1 概 述

淮河干流全長約1 000 km，流域面積約為2.7萬km2，流經(jīng)豫皖蘇三省。小柳巷水文站位于淮河干流中下游，集水面積123 950 km2，屬一類精度國家重要站。1981年4月1日設(shè)立觀測水位和降水量，1982年1月1日開始流量測驗，同年4月30日施測泥沙，1989年6月23日起流量、泥沙停測，1993年4月1日恢復(fù)流量、泥沙測驗并增加推移質(zhì)測驗項目至今。

由于該站測驗河段為人工開挖河道，水面比降較小，早期受河道采沙影響，變化較大。采沙活動受限制后，受下游洪澤湖回水頂托影響，呈淤積特性，水沙特性較為復(fù)雜。本文將通過該站最近11 a實測水文資料，探究該站多年降水量、徑流量、輸沙量的年際、年內(nèi)分配特征及各要素間相關(guān)性，為該地區(qū)河道整治規(guī)劃和防汛抗旱決策提供理論支撐。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)材料來源

本文數(shù)據(jù)的降水量、徑流量、輸沙量、含沙量均來自小柳巷水文站2010—2020年實測資料，數(shù)據(jù)均按照水文行業(yè)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行整編，成果質(zhì)量可靠。

2.2 研究方法及參數(shù)

(1)利用不均勻系數(shù)CL表征各參數(shù)年內(nèi)分配不均勻性：

(2)雙積累曲線法。在水文學(xué)上可以通過累加的方式去展現(xiàn)出水文要素的規(guī)律性及一致性。本次利用雙積累曲線法來對小柳巷水文站多年徑流量與輸沙量的一致性進(jìn)行檢驗，通過觀察斜率變化，分析雙方趨勢性影響。

(3)來沙系數(shù)常用來反映河道的輸沙強度大小，數(shù)值為含沙量與流量的比值，即：

ξ=S/Q

式中，ξ為來沙系數(shù)(kg·s/m6)；S為含沙量(kg/m3),Q為流量(m3/s)。

依據(jù)河道來沙系數(shù)將水沙運動狀態(tài)劃分為水少沙多(ξ≥0.011)、水沙協(xié)調(diào)(0.009≤ξ<0.011)與水多沙少(ξ<0.009)3種狀態(tài)。河道來沙系數(shù)大，河道輸沙強度越大，河道越可能發(fā)生淤積；反之，河道可能發(fā)生沖刷。

3 水沙時變特性

3.1 水沙年內(nèi)分配

3.1.1 小柳巷水文站2010—2020年降水量、徑流量、輸沙量、含沙量年內(nèi)分配

(1)該站多年平均月降雨量較大值集中在6—9月，分別占比13.9%、18.0%、21.4%和10.7%，累計占全年降雨量的64%，最小值出現(xiàn)在12月，占比2.4%。

(2)該站多年平均月徑流量較大值集中在7—10月，分別占比為19.5%、14.3%、11.6%和9.3%，累計占全年凈流量的54.7%，最小值出現(xiàn)在2月，占比3.9%。

(3)該站多年平均月輸沙量較大值集中在7—10月，分別占比為40.8%、11.9%、10.7%和14.4%，累計占全年輸沙量的77.8%，且主要集中在7月，最小值出現(xiàn)在2月，占比0.6%(見表1)。

表1 小柳巷水文站2010—2020年降水量、徑流量、輸沙量、含沙量年內(nèi)分配

3.1.2 小柳巷水文站2010—2020年降水量、徑流量、輸沙量不均勻系數(shù)

(1)該站降雨量不均勻系數(shù)值多年變化幅度不大，最大值為0.52，出現(xiàn)在2011年；最小值為0.25，出現(xiàn)在2014年；通過查閱原始資料發(fā)現(xiàn)該年年內(nèi)有5個月的降水大于月平均降水。

(2)該站徑流量值總體上呈緩慢增大趨勢，最大值為0.56，出現(xiàn)在2020年；通過查閱原始資料發(fā)現(xiàn)，該年6—8月的累計徑流量達(dá)到了全年的81%；原因是淮河干流2020年汛期發(fā)生了超歷史洪水，也刷新了建站以來實測最高歷史水位。徑流量最小值為0.24，出現(xiàn)在2013年；通過查閱原始資料發(fā)現(xiàn)，該年年內(nèi)有5個月的徑流量大于月平均徑流量。

(3)該站輸沙量年內(nèi)分配很不均勻，輸沙量值在11 a中只有1 a低于0.5，且有隨時間而緩慢增大的趨勢；其中2015年為最大值0.74，說明該年輸沙量分配最不均勻；通過查閱原始資料發(fā)現(xiàn)，該年7月份的輸沙量達(dá)到了全年的72.2%，輸沙量值最小值為0.41，出現(xiàn)在徑流量值最小的2013年，也證明了徑流量和輸沙量有較好同步性(見圖1)。

圖1 小柳巷水文站2010—2020年降水量、徑流量、輸沙量不均勻系數(shù)

由上述數(shù)據(jù)可以看出，該站的降水、徑流以及來沙多集中于汛期，輸沙量比降雨量及徑流量的年內(nèi)分配相對更加集中；且最大值和最小值的出現(xiàn)時間與徑流量基本同步，沙峰過程與洪水過程基本一致。

3.2 水沙年際變化

小柳巷水文站近11 a降水量、徑流量、輸沙量年際變化如下所示(見圖2)。

圖2 小柳巷水文站2010—2020年降水量、徑流量、輸沙量年際變化

(1)該站多年平均降雨量為981 mm，最大年降雨量出現(xiàn)在2018年，為1 241.3 mm；最小年降雨量為627.5 mm，出現(xiàn)在2019年。

(2)該站多年平均年徑流總量為231.6億m3，最大年徑流量為2017年的376.6億m3，最小年徑流量為2019年的76.41億m3。

(3)該站多年平均輸沙量為386.78萬t，最大年輸沙量為2020年的1 020萬t，最小年輸沙量為2013年的24.8萬t。

由上述數(shù)據(jù)可以看出，該站的年降雨量變化一直較于穩(wěn)定，而年徑流量與年輸沙量的波動變化幅度較大，且相對同步，總體上呈現(xiàn)增大的趨勢；特別是在2014年以后兩者都有顯著增大，該年之前的年平均徑流量及年平均輸沙量分別為169.4億m3、179.88萬t。從2015年開始，以后年平均徑流量及年平均輸沙量分別為283.5億m3、559.2萬t，增加量分別為114.1億m3、379.32萬t。

4 水沙關(guān)系

4.1 水沙關(guān)系分析

通過計算小柳巷站最近11 a的來沙系數(shù)，制作來沙系數(shù)過程線表明(見圖3)：多年來小柳巷水文站單位流量水多沙少，輸沙強度較小，平均來沙系數(shù)為1.58×10-4kg·s/m6；最大值為2015年的2.43×10-4kg·s/m6，最小值為2013年0.8×10-4kg·s/m6；且來沙系數(shù)與前述水沙變化一樣呈增大趨勢。2015年開始來沙系數(shù)明顯增大，主要是該年徑流量的顯著增大所導(dǎo)致。

圖3 小柳巷水文站2010—2020年來沙系數(shù)過程線

由小柳巷水文站2010—2020年徑流量與年輸沙量雙積累曲線可知(見圖4)，兩者基本呈良好的線性關(guān)系，變化情況具有較好一致性；從2015開始斜率明顯變大，說明2015年流域水沙特性發(fā)生了系統(tǒng)變化。對比之前的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，是2015年徑流量及輸沙量的一致顯著增大所導(dǎo)致。

圖4 小柳巷水文站2010—2020年徑流量與年輸沙量雙積累曲線

4.2 水沙變化原因分析

近年來，小柳巷水文站控制河段的年降雨量基本保持穩(wěn)定，而徑流量和輸沙量均有明顯增加的趨勢；且徑流量變化和輸沙量變化呈現(xiàn)很好的同步性；說明由于多年的河道采沙治理，近年來淮河流域水土流失情況有所改善，水土保持成效顯著，上游來水量變化成為導(dǎo)致來沙量變化的主要原因。

其次，由于該河段既受上游支流來水、分洪、行蓄洪、蚌埠節(jié)制閘調(diào)度影響，又受下游三河閘調(diào)度影響，枯水年水沙關(guān)系較為穩(wěn)定，當(dāng)上游來水量過大時極易造成泥沙淤積，進(jìn)一步抬升河床。例如，在2020年汛期，淮河干流全線超警，小柳巷水文站更是達(dá)到歷史最高水位；由于該河段受洪澤湖回水頂托和泥沙淤積影響，洪水過程呈“高水低流”狀態(tài)，導(dǎo)致水動力不足，造成排洪困難。

5 結(jié) 論

依據(jù)小柳巷水文站最近11 a降雨、徑流和泥沙實測資料，通過對該站多年降水量、徑流量、輸沙量的年際、年內(nèi)分配特征及各要素間相關(guān)性分析，并結(jié)合小柳巷水文站的水沙特性，得出結(jié)論如下：

(1)降水量、徑流量和輸沙量年內(nèi)分配都不均勻。主要表現(xiàn)在：降水量較大的月份主要集中在6—9月，徑流量、輸沙量較大的月份主要集中在7—10月，特別是7月份，徑流量和輸沙量均達(dá)到當(dāng)年最大值，說明沙峰過程與洪水過程基本一致。

(2)小柳巷水文站的年徑流量、年輸沙量近年均有增大的變化趨勢，年降水量多年保持相對穩(wěn)定，來沙系數(shù)隨時間有緩慢增大趨勢。

(3)小柳巷水文站近年的平均來沙系數(shù)均小于0.009 kg·s/m6，屬水多沙少類型。輸沙量和徑流量關(guān)聯(lián)密切，兩者變化具有一致性，降水量與前兩者關(guān)聯(lián)度相對較小，輸沙量大小主要取決于上游來水量的大小。

(4)由于受下游洪澤湖回水頂托影響，該河段在上游來水量過大時總體水位呈快漲慢落的特性，易形成泥沙淤積，造成排洪困難；同時有進(jìn)一抬升河床的可能。