浐河水沙變化特性及橡膠壩庫(kù)區(qū)水面線研究

李洋洋, 周維博, 白潔芳

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

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浐河水沙變化特性及橡膠壩庫(kù)區(qū)水面線研究

李洋洋1,2, 周維博1,2, 白潔芳1,2

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

在自然因素和人為因素的綜合作用下,浐河流域的來水、來沙特性發(fā)生了一定的變化。通過分析浐河流域1960—2012年共53 a的水沙資料,掌握了浐河流域的水沙特征及水沙關(guān)系。結(jié)果表明:浐河流域多年徑流量和輸沙量年際分配極不均勻,水沙系列總體下降趨勢(shì)明顯。流域徑流量與輸沙量呈正相關(guān)關(guān)系,徑流輸沙主要集中在每年7月。人類活動(dòng)通過改變流域下墊面情況,作用于水沙關(guān)系,使得水沙雙累積曲線在1979年和2003年發(fā)生了改變。此外,選擇橡膠壩的兩種典型工況,得出立壩時(shí)的水面線較塌壩時(shí)的水面線平穩(wěn),塌壩時(shí)的水流發(fā)生了水躍現(xiàn)象。

浐河流域;徑流量;輸沙量;雙累積曲線;水面線

浐河流域是灞河的一級(jí)支流,其水沙變化是多種自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果。許多學(xué)者研究了灞河流域的水沙特點(diǎn)。如魏炳乾等[1]分析了灞河50 a的水沙資料,得出人類活動(dòng)和氣候變化是導(dǎo)致灞河水沙變化的主要因素;趙建春等[2]根據(jù)灞河上游的水沙特點(diǎn),分析了灞河橡膠壩庫(kù)區(qū)的入庫(kù)豐水豐沙、平水平沙和枯水枯沙的代表系列。目前針對(duì)浐河流域的分析較少,且已有的研究資料主要集中在2005年以前,受數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度的影響,這些研究成果很難反映浐河流域近期的水沙變化特點(diǎn)。近年來,浐河上游的水沙變化出現(xiàn)了新特點(diǎn),將對(duì)浐河下游橡膠壩庫(kù)區(qū)的水沙運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響。鑒于此,筆者以監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ),對(duì)浐河流域水沙變化的特點(diǎn)及變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析,同時(shí)對(duì)浐河下游橡膠壩庫(kù)區(qū)的水面線進(jìn)行了初步研究。

1 研究區(qū)域概況

浐河發(fā)源于藍(lán)田縣西南秦嶺北坡湯峪鄉(xiāng),由湯峪河、岱峪河、庫(kù)峪河三源組成,在出峪后約3.5 km處匯流,稱為浐河,如圖1所示。

圖1 浐河流域

浐河全長(zhǎng)64 km,流域面積760 km2,河床平均比降8.9‰,下游平均比降1‰～2.2‰,河道寬度為35～120 m。浐河流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,多年平均氣溫13.3 ℃,多年平均降水量744.7 mm。浐河自雁塔區(qū)與長(zhǎng)安區(qū)交界的下游1 km處至灞河入渭河交界處上游,共規(guī)劃建設(shè)12座橡膠壩:浐河雁塔區(qū)的1#—6#橡膠壩,浐河市區(qū)的1#—4#橡膠壩,浐河與灞河交匯區(qū)的A#、B#橡膠壩[3]。

2 水沙特性分析

由于浐河流域缺乏連續(xù)長(zhǎng)系列的水文資料,因此，其歷年徑流量資料可由馬渡王水文站比擬得到,泥沙資料則應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)馬渡王水文站的泥沙資料進(jìn)行修正得到。

2.1 水沙通量變化趨勢(shì)

浐河流域1960—2012年的年徑流量和年輸沙量的變化過程如圖2所示。浐河流域多年平均徑流量為2.22億m3,年徑流量最大值為5.01億m3(1964年),最小值為0.5億m3(1995年),分別為多年平均徑流量的2.26倍和0.23倍。多年平均輸沙量為104.23萬t,年輸沙量最大值為592.94萬t(1962年),最小值僅為4.15萬t(1997年),分別為多年平均輸沙量的5.69倍和0.04倍。可見浐河流域的徑流量和輸沙量的年際分配都極不均勻;年徑流量和年輸沙量的總體變化規(guī)律基本一致,即大水大沙、小水小沙。

圖2 浐河流域年徑流量和年輸沙量的變化過程(1960—2012年)

2.2 水沙年內(nèi)分配過程

浐河流域的多年平均月徑流量和月輸沙量的變化過程如圖3所示。

圖3 浐河流域多年平均月徑流量和月輸沙量的變化過程

浐河的徑流量集中在7—10月,約占全年徑流量的60%。這是因?yàn)闆汉恿饔驅(qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,降雨集中在夏季,即汛期的連續(xù)4個(gè)月內(nèi)。浐河的輸沙量集中在6—9月,約占全年輸沙量的70%,說明浐河流域的輸沙量也呈現(xiàn)集中分布的特點(diǎn)。這是由于浐河上游的降雨量較多,且多為暴雨,暴雨在山區(qū)和丘陵地區(qū)形成泥石流,泥石流輸沙能力很強(qiáng),因此在這段時(shí)間內(nèi)輸沙量急劇增加[4]。

2.3 水沙關(guān)系分析

浐河流域?qū)崪y(cè)的年徑流量與年輸沙量的相關(guān)關(guān)系如圖4所示,R2達(dá)到了0.54,說明浐河的年徑流量與年輸沙量呈現(xiàn)良好的乘冪相關(guān)關(guān)系[5]。

Qs=λQα。

(1)

式中:Qs為年輸沙量;Q為年徑流量;λ為系數(shù);α為冪指數(shù)。

圖4 浐河流域年徑流量與年輸沙量的相關(guān)關(guān)系

由圖4的雙對(duì)數(shù)回歸曲線可以看出,式(1)中的系數(shù)λ為雙對(duì)數(shù)曲線的截距。λ越大,表明年徑流量所對(duì)應(yīng)的年輸沙量也就越大;λ越小,表明年徑流量所對(duì)應(yīng)的年輸沙量也就越小。冪指數(shù)α為雙對(duì)數(shù)曲線的斜率,表示在年徑流量變化相同的情形下年輸沙量的變化幅度。α越大,年輸沙量的變化幅度越大;α越小,年輸沙量的變化幅度也就越小[6-7]。經(jīng)回歸分析可以得出,浐河流域年輸沙量的總體減少趨勢(shì)來源于年徑流量的減少。

流域的水沙特性如果發(fā)生趨勢(shì)性變化,在其水沙雙累積曲線圖上將會(huì)發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折,即累積曲線的斜率變大或變小。浐河流域徑流量和輸沙量的雙累積曲線如圖5所示。

圖5 浐河流域徑流量與輸沙量的雙累積曲線

由圖5可知,雙累積曲線的2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為1979年和2003年。因此,可以將浐河流域分為3個(gè)時(shí)期:1960—1978年、1979—2002年、2003—2012年。第3個(gè)時(shí)期的相關(guān)性明顯低于前2個(gè)時(shí)期的,說明從第3個(gè)時(shí)期開始,人為因素對(duì)輸沙量的影響迅速增強(qiáng)。

浐河流域在3個(gè)時(shí)期的平均徑流量和平均輸沙量的演變情況見表1。

表1 浐河流域平均徑流量及平均輸沙量在不同時(shí)期的演變情況

從表1中可以看出,與20世紀(jì)80、90年代相比,盡管21世紀(jì)的產(chǎn)流能力有所提高,但輸沙量仍在繼續(xù)減少。

2.4 水沙變化原因分析

流域侵蝕產(chǎn)沙和泥沙輸移的影響因素可分為自然和人為兩個(gè)方面。自然因素主要有土壤組成、地勢(shì)地貌形態(tài)、植物覆蓋、氣候等。人為因素則包括水土保持措施、水庫(kù)攔沙、流域調(diào)水調(diào)沙及引水引沙、河道采沙等[8]。在以上影響因素中,地勢(shì)地貌形態(tài)、土壤和植被等相對(duì)比較穩(wěn)定,對(duì)不同時(shí)間侵蝕產(chǎn)沙量的變化影響較小;氣候變化和人為因素通常具有不同時(shí)間尺度的周期性,是流域侵蝕產(chǎn)沙和泥沙輸移的主要影響因素。

近年來,浐河流域的來水來沙量下降趨勢(shì)明顯,而徑流量與輸沙量則呈正相關(guān),具有同源性,說明浐河流域來水量的變化是導(dǎo)致來沙量變化的重要原因。1979年，浐河水沙雙累積曲線第一次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,這是由于20世紀(jì)80年代浐河屬于平水平沙期,而90年代后屬于枯水枯沙期,降雨量開始減少,導(dǎo)致徑流量減少,輸沙量也隨之減少。進(jìn)入21世紀(jì),盡管產(chǎn)流能力稍有回升,但由于浐河流域從2001年開始修建橡膠壩蓄水工程,導(dǎo)致橡膠壩上游壅水,挾沙力減弱,且在河道兩岸布置了防護(hù)綠地,遏制了水土流失,浐河的輸沙量亦繼續(xù)減少。

3 浐河橡膠壩庫(kù)區(qū)水面線計(jì)算

選擇浐灞河交匯區(qū)浐河B#橡膠壩庫(kù)區(qū),該橡膠壩位于浐河趙村橋上游150 m處,壩底板高程383.5 m,壩高3 m,單跨寬70 m,回水長(zhǎng)度1.5 km,長(zhǎng)度與河道寬相同,為74.7 m。汛期(6月1日—9月30日)洪峰流量為635 m3/s,非汛期(10月1日至次年5月31日)洪峰流量為160 m3/s。采用汛期塌壩泄洪、非汛期立壩蓄水的運(yùn)行方式。

根據(jù)《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50974—2014)可知,可以用堰流基本公式計(jì)算橡膠壩的泄洪能力。塌壩為汛期運(yùn)行方式,可以將其視為寬頂堰,其流量系數(shù)m=0.33～0.36,這里取0.36。立壩為非汛期運(yùn)行方式,可以將其當(dāng)作曲線型實(shí)用堰來計(jì)算,流量系數(shù)m=0.36～0.45,這里取0.4。在推算水面線前需先選擇2個(gè)控制斷面:一個(gè)選擇在壩區(qū)下游,即橡膠壩壩址處;另一個(gè)選擇在壩區(qū)上游,即上一座橡膠壩洪水下泄后的收縮斷面。

3.1 塌壩工況壩區(qū)水面線研究

根據(jù)橡膠壩蓄水工程設(shè)計(jì),塌壩為汛期運(yùn)行方式,設(shè)計(jì)洪峰流量為635 m3/s。

3.1.1 下游控制斷面水深計(jì)算

由于阻水作用,下游斷面將產(chǎn)生壅水,壅水高度采用堰流公式計(jì)算[9]:

(2)

式中:Q為過壩流量,m3/s;B為溢流斷面平均寬度,m;H0為計(jì)入行近流速水頭的堰頂水頭,m;m為流量系數(shù),取值0.36;σ為淹沒系數(shù),因?qū)僮杂沙隽?故σ=1;ε為堰流側(cè)收縮系數(shù);因無側(cè)收縮,故ε=1。

經(jīng)計(jì)算，壩頂水頭H0=3.04 m,壩前平均流速為2.5 m/s,最大壅水高度為控制斷面水深h=3.02 m。

3.1.2 上游控制斷面水深計(jì)算

庫(kù)區(qū)上游控制斷面水深為上一座橡膠壩洪水下泄后的收縮斷面水深,上一座橡膠壩的水力計(jì)算方法與本壩區(qū)橡膠壩相同,其壩后收縮斷面水深采用下式計(jì)算[10]:

(3)

式中:E0為從下游底板算起的上游水頭,E0=P+H0,m;P為壩基與下游河道底板高差,m;H0為壩頂以上總水頭,m;q為過壩單寬流量,m2/s;hc為收縮水深,m;ψ為流量系數(shù),取ψ=0.9。

計(jì)算得上游控制水深即收縮水深hc=1.5 m,平均流速為4.71 m/s。

3.1.3 水面線定性分析

3.1.4 水面線推算

因?yàn)樯嫌慰刂茢嗝?.5

(4)

水躍長(zhǎng)度計(jì)算公式為[10]:

L=10.3h1(Fr-1)0.81。

(5)

式中:h1、h2分別為躍前、躍后水深,m;L為水躍長(zhǎng)度,m。經(jīng)計(jì)算，躍后水深h2=1.9 m,水躍長(zhǎng)度L=6 m。

在相鄰斷面之間建立方程,采用逐段試算法從下游往上游進(jìn)行水面線推算，計(jì)算公式為[11]:

(6)

已設(shè)下游最大壅水高度位置為控制斷面,其水深h1=3.02 m。假設(shè)一系列的上游斷面水深,應(yīng)用上式逐段向上推算,即可求得各相應(yīng)流段的長(zhǎng)度Δs,最終推至上游控制斷面。

3.2 立壩工況壩區(qū)水面線計(jì)算

立壩為非汛期運(yùn)行方式,設(shè)計(jì)洪峰流量為160 m3/s,控制斷面的選擇與塌壩運(yùn)行方式一樣。汛期與非汛期水力計(jì)算大致相同,僅是流量由635 m3/s變?yōu)?60 m3/s,其計(jì)算過程不再贅述。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)定條件,分別計(jì)算了浐河B#橡膠壩庫(kù)區(qū)塌壩和立壩2種工況的水面線,如圖6所示。

圖6 浐河B#橡膠壩庫(kù)區(qū)水面線

從圖6中可以看出：橡膠壩塌壩時(shí)的水面線在距上游控制斷面822 m時(shí),發(fā)生了一段長(zhǎng)度約6 m的水躍；立壩的水面線則較平穩(wěn),由上游至下游,緩慢地下降,沒有發(fā)生水躍或水跌現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過對(duì)浐河流域1960—2012年水沙資料的分析及對(duì)橡膠壩運(yùn)行方式的研究,得出以下結(jié)論:

1)受降水集中分布的影響,浐河流域水沙年內(nèi)分配不均勻。徑流量的60%集中在汛期(7—10月);輸沙量主要集中在6—9月,約占全年輸沙量的90%。浐河流域汛期與多沙期不同步,多沙期比汛期稍提前。

2)浐河流域的徑流量與輸沙量呈良好的乘冪關(guān)系(Qs=λQα),冪指數(shù)達(dá)到1.678。其水沙雙累積曲線分別在1979年和2003年發(fā)生轉(zhuǎn)折,說明從1979年開始,人類活動(dòng)開始改變了浐河流域下墊面條件,使得水沙關(guān)系發(fā)生了改變,且從2003年開始,人類活動(dòng)對(duì)水沙的影響日益強(qiáng)烈,流域內(nèi)水利工程的建設(shè)開始取得成效。

3)重點(diǎn)分析了完全塌壩和完全立壩兩種典型的工況,沒有考慮其他可能工況。由于水躍水流紊亂、復(fù)雜,不同工況下水躍發(fā)生的位置也不同,因此還應(yīng)通過模型試驗(yàn)來校核計(jì)算成果。流域水沙特性受多種因素的影響,深入分析水沙變化特性對(duì)下游庫(kù)區(qū)水面線的影響,是需要進(jìn)一步研究的問題。

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(責(zé)任編輯：陳海濤)

Study on Runoff and Sediment Changing Characteristics and Water Surface Profile for the Reservoir Area of Rubber Dam in Chanhe River

LI Yangyang1,2, ZHOU Weibo1,2, BAI Jiefang1,2

(1.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas of Ministry of Education,Chang′an University, Xi′an 710054, China; 2.College of Environmental Science and Engineering, Chang′an University, Xi′an 710054, China)

By integrated influences of natural and human factors, some changes of runoff and sediment characteristics occurred in the Chanhe River basin. By analyzing the data of runoff and sediment for total 53 years from 1960 to 2012, we mastered the characteristics and relationships of runoff and sediment in the Chanhe River basin. The results show that the inter-annual distribution of runoff and sediment is asymmetrical for many years in the Chanhe River basin, the series of runoff and sediment is an obvious downward trend. The relationships between runoff and sediment is positively correlated, sediment transported by runoff mainly concentrates in July each year. Human activities impact on the relationship between runoff and sediment by changing the underlying conditions of the basin, this is the reason why the double cumulative curves of runoff and sediment appeared change in 1979 and 2003. In addition, two typical working conditions of rubber dam were selected to analyze the water surface, it is concluded that the water surface profile of filled dam was more stable than that of collapsed dam, hydraulic jump phenomenon occurred when dam collapsed.

Chanhe River basin; runoff; sediment; double cumulative curve; water surface profile

2016-10-27

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(12120113004800)。

李洋洋(1993—),男,河南信陽(yáng)人,碩士研究生,從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)方面的研究。E-mail:476951957@qq.com。

周維博(1956—),男,陜西乾縣人,教授,博導(dǎo),博士,從事水資源與水環(huán)境及節(jié)水灌溉方面的研究。E-mail:zwbzyz823@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.013

TV145+.3

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1002-5634(2017)03-0082-05