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0 引言
淮河发源于河南桐柏,往东流经豫、皖、苏三省,全长约1 000 km,根据地形和河道特性沿程分为上、中、下游,河道平面形态分为顺直微弯、弯曲和分汊型[1]。近年来,淮河上游人类活动频繁,主要支流上进行了大规模开发和水库建设,使得淮河干流水沙情势发生了明显的变化。研究淮河干流来水来沙特性、水沙关系及典型分汊河道分水分沙规律,对积极探索顺应淮河干流新的水情、沙情、河情、工情变化的个性化治理模式有重要的作用。
上述学者关于淮河干流水沙特性的研究主要集中在单一河道,对淮河分汊河道水沙特性、水沙关系及分水分沙规律却鲜有报道[12]。本文拟选择淮河中游典型分汊河段王家坝至南照集河段(以下简称“濛洼段”)为研究对象,采用线性回归、M-K分析法、累积距平、R/S(Rescaled Range Analysis)分析、小波分析、水沙关系曲线等方法,研究1985—2020年淮河干流分汊河道濛洼段来水来沙特性、未来变化趋势、水文周期性和水沙协同关系等规律,分析濛洼段分水分沙规律,丰富对淮河干流分汊河道水沙变化规律的认识,以期为流域水资源管理与河道整治规划提供理论依据。
1 数据资料与方法
1.1 研究区域
研究区域为淮河中游王家坝至南照集段,该段位于淮河中游的前端,是淮河上中游结合部,承接淮河上游河南来水,为典型的淮河中游分汊河道,自20世纪50年代濛洼蓄洪工程建成后,淮河王家坝至南照集段即形成双汊并行的格局,并延续至今。其中,南汊淮河干流一侧为老河道,接纳洪河口以上大部分干支流来水,并在三河尖处汇入史河;北汊原为濛河洼地的一部分,增辟为分洪道之后,接纳淮河干流不能宣泄的超额洪水,并在分流点下游与洪河分洪道、谷河来水汇合,东流在南照集上汇入淮河干流。濛洼段汊道示意图及水文站网分布见图1。
1.2 数据来源
南北两汊来流由3个水文站监测。干流王家坝站(干),控制南汊进口流量;钐岗站位于濛河分洪道入口处,可控制北汊进口流量;洪河分洪道在北汊下游仅4 km处汇入,对北汊分流有顶托影响,入流流量可通过地理城站观测。因此,南汊进口由王家坝站(干)控制,北汊进口由钐岗站和地理城站共同控制。本文濛洼段总来水来沙为南汊和北汊之和,即王家坝站(干)、钐岗站、地理城站之和,命名为王家坝站(总)。
因此,本文选择王家坝站(干)、钐岗站和地理城站1985—2020年的历史水文资料来分析近几十年淮河干流典型分汊河道水沙特性变化及分水分沙规律,水文数据均来源于安徽省水文局,数据已按照水文行业相关规范进行整理,结果可靠。
1.3 研究方法
2 水沙特性变化
2.1 历史水沙变化特征
由图2(b)可知:王家坝站(总)多年平均含沙量为0.27 kg/m3,含沙量10 a平均值随时间推移均呈明显减小趋势,在2000年以后10 a平均值低于平均含沙量,2010年以后基本稳定在0.15 kg/m3,表明淮河中游来沙处于少沙阶段。结合图3(b)年含沙量UFk值整体为负值,且呈递减趋势,表明王家坝站历史来沙量一直处于减小的趋势,与图2(b)分析结果一致;进一步分析发现,1990年附近UFk值下降斜率明显,表明含沙量减小趋势更加显著,分析其原因主要与20世纪90年代以前,淮河上游山区河流进行的大规模开发和水库建设有关[6],水库拦沙作用明显,淮河中游来沙大量被水库拦截,导致含沙量减小趋势显著。含沙量在1995年以后UFk值均小于显著性α=0.05时的临界值(-1.96),来沙量UFk、UBk曲线交点也在1995年附近,表明来沙量突变年份可能发生在1995年附近。分析原因主要为随着上游水库建设基本完成,含沙量减少的情况也基本稳定下来。改革开放以后,开展了水土保持工作、面上传统耕作方式和种植结构也发生了变化,地面裸土面积逐渐减小,使得进入淮河中游的含沙量继续减小,但是减少作用相较于水库建设对含沙量的拦蓄效果偏弱。
2.2 未来水沙变化特征
根据王家坝站(总)水沙历史变化趋势分析结果,利用R/S分析法进一步对王家坝站(总)水沙未来变化趋势进行研究,王家坝站(总)径流量和含沙量的R/S分析法统计值与年限曲线如图4所示。
由图4可知:径流量与含沙量拟合曲线的决定系数R2分别为0.87、0.82,拟合程度较好。径流量与含沙量拟合曲线Hurst指数H分别为0.52、0.79,均>0.5,表明未来一段时间水沙过程具有持续性且历史趋势正相关性,即径流量继续保持无明显变化趋势,含沙量继续保持减少趋势。进一步分析发现,H为0.52,接近0.50,表明径流量的正相关性较含沙量的程度弱,这与径流量历史总体上并没有表现出明显的减少或增加趋势一致。
2.3 水沙变化周期性研究
同样由图5(b)分析可知,在来沙过程中除存在2、6、10 a尺度以下高频振动外,主要表现为18~20 a全域性振荡周期,总体上,左边的等值线密度大于右边的,也表明王家坝站(总)含沙量总体上保持减少的趋势,这与上述水沙历史变化趋势分析得到的结论相一致。以20 a为振荡中心,王家坝站(总)来沙过程出现了丰-枯-丰-枯准2次的振荡,为第一主周期;且在2020年负位等值线并未封闭,表明2020年以后王家坝站(总)将继续处于少沙期,与上述R/S分析法得到的结论相一致。
3 水沙关系研究
在分析王家坝站(总)来水来沙量过程变化的基础上,通过分析河道水沙双累积曲线、来沙系数和年均输沙率的变化,进一步研究淮河中游典型分汊河道的水沙关系和输沙能力的变化特点。
3.1 水沙双累计和来沙系数变化
为了进一步分析王家坝站(总)径流量和输沙量不同步变化,图7给出了王家坝站(总)输沙量与径流量双累计曲线,并点绘出双累计曲线切线斜率变化过程。
由图7可知:整体上双累计曲线呈上凸且斜率整体减小的趋势,表明输沙量增加速率小于径流量增加速率,王家坝站(总)来沙量呈减小趋势;结合点绘的切线斜率,1995年以前斜率下降速率明显大于1995年以后,表明1995年以前输沙量减小速率明显大于1995年以后的,1995年含沙量可能发生突变,与上述突变分析结果相一致。2012年以后累积曲线的斜率基本不变,说明水沙协同关系在2012年开始逐渐趋向稳定。
图8给出了王家坝站(总)多年平均来沙系数变化曲线,来沙系数是含沙量与流量的比值,是水沙协同关系的一种量化形式。王家坝站1985—2020年多年平均来沙系数为1.21×10-5 kg·s/m6,来沙系数呈持续减少趋势,由20世纪80年代的2.03×10-5 kg·s/m6减至21世纪10年代的0.76×10-5 kg·s/m6。这表明来水含沙量和来沙强度不断减小,河道输沙潜力不断提高,有利于河道冲刷,为淮河中游河道整治采用长距离疏浚方案提供理论支撑。据统计,王家坝站低水大断面主槽面积由1985年的1 288 m2增至2012年的1 640 m2,且2012年以后断面主槽面积基本稳定在1 600 m2,河道发生了一定的冲刷,除受本段河道采砂影响以外,还与河道本身来沙系数减小导致输沙潜力增大有重要关系。
3.2 水沙协同关系与输沙能力的变化
图9 王家坝(总)年均流量与输沙率的水沙关系曲线Fig.9 Water-sediment relationship curves between annual average runoff and sediment transport rate at Wangjiaba station (total) |
表1 王家坝站(总)水沙关系系数Table 1 Water-sediment relationship coefficients at Wangjiaba station (total) |
| 时间段 | a | b | R2 |
|---|---|---|---|
| 1985—1995年 | 0.021 | 1.527 | 0.872 |
| 1996—2020年 | 0.007 | 1.615 | 0.910 |
4 分水分沙规律研究
北汊的支流洪河分洪道入汇口距钐岗仅4 km,洪河分洪道来水将直接影响北汊的分流比例。相对而言,南汊的支流史河入汇口处于淮干一汊的尾部区域,对南汊分流的影响较小。因此,本文中北汊濛河分洪道分流比计入洪河分洪道来水(地理城站),即:濛河分洪道流量为钐岗和地理城直接相加的成果,而南汊淮干仅计入王家坝站(干)的流量。濛河分洪道流量、淮河干流流量、濛河分洪道分流比的计算式如下:
式中 为分流比。
对于汊道,习惯用分沙比表示,根据分沙比的定义可知,濛河分洪道分沙比ξ濛河分洪道的计算式为
式中: 为含沙量(kg/m3); 为分沙比;令含沙量比值Ks=S钐岗/S王家坝(干),则式(5)可写为
4.1 分流比
统计了1985—2020年以来实测王家坝站(干)、地理城站、钐岗站日流量资料并对其进行平均,分析了2012年前后不同流量级下濛河分洪道分流比变化过程,如图10所示。
由图10可知:2012年以后濛河分洪道分流能力略有萎缩。整体上均表现为随着来流量增加,濛河分洪道分流比总体呈增加趋势。当总来流<300 m3/s时,由于南汊淮干河道断面底高程在15~10 m,远低于北汊濛河分洪道河道断面底高程21~19 m,主流走南汊淮干,濛河分洪道不分流;当总来流在300~2 000 m3/s(中枯流量级)时,濛河分洪道开始过水,随着洪水淹没滩地,濛河流量开始快速增加,分流比也逐渐上升至25%左右,但由于漫滩程度不高,淮干一汊过洪仍处于绝对主导地位。当总来流在2 000~4 000 m3/s时,南北两汊均发展为滩槽全断面过流,濛河分洪道河线较短(较南汊淮干侧缩短流路约15 km)的优势在滩地充分行洪后开始凸显,至流量达4 000 m3/s时,濛河分流比增至42%,淮河干流过洪的主流地位开始弱化。当总来流在4 000~6 000 m3/s时,濛河分流比呈继续增加趋势,但增速开始放缓,分流比在流量为6 000 m3/s达到峰值,约为53%,略大于淮河干流流量。当总来流在6 000~6 770 m3/s时,濛河分流比开始略有下降,但也能维持在50%左右,两汊流量基本相当。
4.2 分沙比
根据式(6)可知,在求得分流比 后,只需要求得含沙量比值Ks,便可算出分沙比 。统计了1985—2020年以来濛洼段日流量、日含沙量资料,图11点绘出濛河分洪道分流比和分沙比关系,发现两汊分流比和分沙比没有明显的规律,且北汊濛河分洪道含沙量随着分洪流量的增大显著增大,分流分沙表现为明显的不平衡性。
考虑到分沙比不仅与流量水流条件有关,还应与泥沙以及分汊河段进口断面形态有关,而水流挟沙能力S*刚好能同时表征水流、泥沙和断面形态河道演变,故影响分沙比的各种因素的综合作用很大程度就体现在S*上[17]。目前国内普遍采用的是张瑞瑾推导的挟沙能力公式为
式中: 为水流挟沙能力(kg/m3); 为断面平均流速(m/s); 为水力半径(m); 为泥沙的沉降速度(m/s); 为重力加速度(m/s2);ks和m分别为水流挟沙能力系数和指数。
根据安徽省水利科学研究院研究成果[1],按 取定值0.92计算,得出淮河中游输沙平衡时挟沙能力系数ks为0.013。因此得到水流挟沙能力经验公式为
式中h为平均水深(m)。
按1985—2012年、2012—2020年2个时间段分别统计濛洼段日流量、日水位、日含沙量,点绘出王家坝站(干)、钐岗站含沙量比值与两者挟沙力比值关系(见图12),河床冲刷对挟沙能力比值影响较小,2个时间段的决定系数均在0.90以上,两者相关性较强,表现出汊点河道的含沙量比近似等于各河道的水流挟沙力比值,为淮河中游水沙数值模拟中分汊河道含沙量计算模式提供了理论支撑。
5 结论
(1)1985—2020年王家坝站(总)年径流量总体未呈明显增减趋势,年平均径流量为82.48亿m3;含沙量呈显著减少趋势,2010年以后基本稳定在0.15 kg/m3以下,含沙量在1995年发生突变,并在1995年以后整体继续呈现减小的趋势。淮河上游水库建设、水土保持工作、面上传统耕作方式和种植结构改变是水沙变化的主要驱动因素。
(2)从水沙关系角度分析可知,王家坝站(总)来沙系数呈持续减少趋势,来沙强度不断减小,河道输沙能力不断提高,有利于河道冲刷;水沙关系曲线在1995年前后2个阶段具有较好的幂函数关系,产沙特性拟合系数a值减小,输沙特性拟合系数b值增大,这表明1995年以后来沙受外界影响逐渐减少,河流本身挟沙能力和输沙特性增强,使得主槽断面持续扩大,表现为本段河道主槽呈冲刷态势。
(3)由于濛洼段两汊过流特性的差异,濛河分流比与本段总来流基本呈正相关,在2 000 m3/s(中枯流量级),南汊淮干侧是主要的过流通道,但随着流量增加,濛河分流的权重也逐渐升高,6 000 m3/s流量级可以与淮干平分上游来流;点绘出王家坝站(干)、钐岗站含沙量比值与两者挟沙力比值关系,两者相关性较强,表现出汊点河道的含沙量比近似等于各河道的水流挟沙力比值。