潜山站大断面冲淤变化及对水位流量关系影响分析

1、潜山站大断面冲淤变化及对水位流量关系影响分析摘 要 收集1965-2009年实测大断面资料，统计分析河床平均河底高程的变化规律，并同步统计相应受冲淤变化影响的水位流量关系实测点据，分析大断面冲於变化给水位流量关系带来的影响。关键词 潜山水文站 冲淤变化 水位流量关系 1.概述潜山水文站位于潜山县城以西，安太公路大桥下300m潜水左岸，属长江流域皖河水系，地理坐标为东经116º05116º33，北纬30º3830º46。流域集水面积984km2。本流域属浅山区，降雨量丰沛。雨量主要集中在汛期，5月9月降水量占年降水总量的67%。流域多年平均降水量为1400

2、mm，年最大降水量为2373.2mm，历年最小降水量为917.5mm。历年最高洪水位31.82m，最低水位为河干，多年平均水位为28.46m。历年最大流量4600m3/s,最小流量为0，常用临时曲线法和连时序法推求流量。历年最大蒸发量为1695.2mm，年最小蒸发量为760.7mm，多年平均蒸发量为1372.6mm。年最大输沙率为11300Kg/s，年最小输沙率为0，多年平均输沙率为14.0kg/s，5-9月份悬移质输沙率占全年悬移质输沙率的94.3%。年最大径流量17.05×108m3，年最小径流量3.13×108m3,多年平均径流量为8.41×108m3，59

3、月份径流量占全年径流量的86.5%。2. 大断面冲淤变化分析2.1 样本资料的收集 样本收集主要是19652009年实测大断面资料，同步收集发生大洪水（1969、1983、1991、1996、1999的年份）实测大断面资料及实测水位流量点据。 2.2河道断面冲於变化趋势 点绘19652009年潜山站实测大断面图（图1）,1969年河床平均河底高程为28.09m ,2009年河床平均河底高程为26.70m ，45年间河床平均下降1.39m。系列年中实测大断面数据以5年为一个统计时段分组，统计分析该站实测大断面多年平均河底高程变化情况（见表1），1960年代中期至1970年代末总体呈现冲刷态势，近

4、15年间河床多年平均河底高程下降0.44m ，1970年代末至1980年代初期河床总体呈现淤积态势，近5年间河床多年平均河底高程淤积0.51m ，从1990年代初期因受人类采砂活动的影响，河床下切速度加快，至2009年，近20年期间河床多年平均河底高程下降1.03m ,冲於变化保持相对稳定的时间段为上个世纪1980年至1990年早期，河床多年平均河底高程仅仅下降0.16m。表1 潜山站实测大断面多年平均河底高程变化分析表 世纪20世纪21世纪年代60年代70年代80年代90年代10年代60-6565-6970-7575-7980-8585-8990-9595-200000-0505-09平均河

5、底高程(m)28.0927.7427.6328.1427.927.9527.526.9226.82系列年中以1996（该年度河床平均河底高程接近河床多年平均河底高程）年为分界点， 1965年1996年和19962009年为2个统计样本组，点绘历年实测大断面变化趋势图（见图2），河床多年平均河底高程为27.49m,第一个统计样本组位于河床河底高程多年平均线以上，总体态势为淤积。相对于河床河底高程多年平均线，该统计样本中局部年份最大淤积高为0.71m(1991年)，最小淤积高为0m(1996年)。此段统计样本中1991年以前，河床总体呈现淤积态势，局部年份冲於相互交替。河底多年平均高程第二个统计样

6、本组位于河床河底高程多年平均线以下，总体态势为冲刷。河床下降趋势实际上开始于1991年，1991年以后，将相邻年份河床平均河底高程作对比分析。河床河底高程变化过程为：19911995年以冲为主，河床平均下降为0.43m；19951996年断面略呈淤积态势；冲刷为主的过程延续到2002年；随着2002年潜水两岸堤防加固工程的结束，人类取砂活动将会停止；20022009年以轻度淤积为主。 2个统计样本组中河床河底平均高程变化趋势图表现出不同的变化特征，前一个样本数据组河床河底平均高程出现2峰2谷的交替变化趋势，2峰出现在1983年前后和1991年前后，2谷出现 在1974年前后和1985年前后；而

7、后一个样本数据组河床河底平均高程却出现总体单边下切的态势，单边下切的原因主要受人类采砂因素影响。2.3 典型年大断面冲淤变化分析2.3.1 典型年汛前、汛后实测大断面冲淤变化分析统计该站发生较大洪水的1969、1983、1991、1996、1999年共5年的汛前及汛后实测大断面资料（图3），做典型年大断面冲淤变化分析。1969年汛后大断面与该年度汛前大断面比较，河床冲刷主要分布在起点距22.4m140m之间，以起点距88.1m附近为例，汛前河底高程为27.86m，汛后河底高程为27.18m，点下降幅度为0.68m。淤积主要分布在起点距140m320m之间，以起点距217.7m处为例，汛前河底高

8、程为28.22m，汛后河底高程为29.00m，点淤积幅度为0.78m。1983年汛后大断面与该年度汛前大断面比较，河床冲刷主要分布在起点距29.7m110.0m之间，以起点距40.8m附近为例，汛前河底高程为29.47m，汛后大断面河底高程为28.50m，点下降幅度为0.97m；淤积主要分布在起点距110m370m之间，以起点距352.6m处为例，汛前为28.52m，汛后河底高程为29.22m，点淤积幅度为0.70m。1991年汛后大断面与该年度汛前大断面比较，河床冲刷主要分布在起点距42.3m112.7m之间，以起点距104.7m附近为例，汛前河底高程为28.40m，汛后大断面河底高程为27

9、.80m，点下降幅度为0.60m；淤积主要分布在起点距112.7m352.6m之间，以起点距285.0m处为例，汛前为28.50m，汛后河底高程为28.90m，点淤积幅度为0.40m。1996年汛后大断面与该年度汛前大断面比较，河床总体呈现淤积态势，以起点距270.0m处为例，汛前为27.80m，汛后河底高程为28.20m，点淤积幅度为0.40m。1999年汛后大断面与该年度汛前大断面比较，河床冲刷主要分布在起点距100.0m263.0m之间，以起点距132.0m附近为例，汛前河底高程为27.60m，汛后大断面河底高程为27.30m，点下降幅度为0.30m；淤积主要分布在起点距40.0m100

10、.0m之间，以起点距60.0m处为例，汛前为24.70m，汛后河底高程为26.80m，点淤积幅度为2.10m。以上统计分析显示，在1969、1983、1991等三年的典型年汛前、汛后实测大断面资料中，大断面河底高程呈现下切态势的位置基本位于起点距22.4140.0m之间，淤积主要位于起点距140.0m370.0之间，而1996年整年度呈现淤积态势，1999年下切位置由汛前的河左岸偏移至河中央,，位置由汛前起点距44.1m86.1m偏移至汛后起点距100.0m263.0m之间。2.3.2 典型年相临场次洪水最低河底高程变化分析 统计分析典型年最大洪水和临近场次洪水，每典型年分别挑选2场次(表2)

11、做对比分析。 典型年中统计样本中除1991年外，相临2场次洪水中最低河底高程均表现为淤积，淤积幅度最大的为0.08m（1999年），相对应的平均水深差值为0.75，两者比值为10.6%；淤积幅度最小的为0m（1969年）。典型年中水位保持基本相等的不同年度的2场次最低河底高程的变化也较大，如690714和830705，2场次洪水的水位差值为0.06m,平均流速差值为0.58（m/s）,最大流速差值为0.97m，河底高程下降0.47m，相对应的平均水深差值为0.39m,两者比值为121%。1999年冲刷主要在河左岸，冲刷深度相对于河床相对稳定的2005年河床低2.2m ；冲刷宽度分别为31.2m

12、,冲刷面积分别为68.6m2,当高水发生时，此冲刷面积只占总过水面积较小，以19960702号洪峰过水面积为对比标的，该冲刷面积分别占该场次峰顶洪峰过水面积的6.3%。表2 典型年相临场次大洪水最低河底高程变化分析表年份洪号水位(m)流量(m3/s)断面面积(m2)水面宽（m)平均流速(m/s)最大流速（m/s)平均水深最大水深(m)最低河底高程（m)196969071431.38353010503293.364.443.194.4726.9169071631.1634509753293.544.602.964.2526.91198383070531.32410010403713.945.41

13、2.804.8826.4483070629.745464853321.131.851.463.2126.53199191070630.5611507703541.491.962.182.8627.791070831.0421809383652.323.702.573.9627.08199696070230.95307011003562.794.003.094.3526.696070330.2713508593281.572.132.623.6726.6199999062730.66253011003472.34.003.174.3926.2799062929.7410507833231.341

14、.962.423.3926.353大断面冲於变化对水位流量关系的影响分析3.1 理论分析天然河道中流量Q=v×A （1）式中 V:平均流速（m/s），A为过水面积（m2） 图4 大断面冲於变化对比图图中HI表示水面，水深R表示HI至BF之间的间距。当大断面发生冲於变化时 (见图4)，则有 Q冲，淤=Q未冲±(Av) （2）式中 Q冲，淤：发生冲於变化时流量（m3/s）,Q未冲：未发生冲於时流量（m3/s）A：冲於发生时较未发生冲於时的面积变量，冲时取+（等于图4中ABEF的面积），淤时取-（m2）等于图4中BCFG的面积。假设未发生冲於变化时，同一水位下，河道过水平均流速相

15、等或基本接近。为分析大断面冲於变化对水位流量关系的影响，仅考虑大断面面积变化的影响因子。当大断面产生淤积时，同一水位下，河床过水面积减小，流量Q淤< Q未冲；相反, 大断面产生冲刷时，流量Q冲> Q未冲。由式2可以转化为Q冲，淤=Q未冲±(BRv)，（式中B：为水面宽（m2），R：冲於发生时较未发生冲於时的水深变量，冲时取+，淤时取-（m）。同一水位下，河道水面宽基本相等，当冲於变化发生时，影响Q冲，淤关键因素就是平均水深变量R，如图4所示，当河床发生於积变化时，R近似等于河床平均河底高程淤积高h；河床发生冲刷变化时，R近似等于河床平均河底高程的下切值h。3.2 实践验证

16、为验证以上理论分析的正确性，分别统计典型年中高洪水位部分点据，并点绘成图，将冲於因素统一考虑在一起(图5)，图5显示该站典型年高洪水位点据散乱无章。将大断面冲於变化不明显，平均河底高程较近的1969、1983年高洪水位点据点绘成图，见（图6），图6显示水位流量关系呈现很好的线性相关。将河床处于单边下切状态下的典型年1991、1996、1999三年，以接近多年河床平均河底高程的1996年水位流量关系点据为依据，将1991、1999年水位流量关系点依据各年度河床平均河底高程相对于1996年河床河底高程平均值的差值h(分别为0.70m、0.20m)作为水位校正依据(见表3)，校正后3典型年水位流量关

17、系点据群成明显的带状分布（见图7）表4 潜山站水位校正前后对比分析表典型年QZ多年平均河底高程（m)年度河底高程(m)较差值（m）改正后水位（m)1991111030.5627.4928.190.729.86218031.0430.34127030.3729.6789330.3429.64188031.1630.46224031.2930.5925429.21996217030.2327.49030.23249030.530.5307030.9530.95135030.2730.27255030.6430.64151030.5330.5361629.1629.161999253030.6627.29-0.230.86182030.2130.41148030.0430.24105029.7429.943.3局限性本次分析仅仅考虑大断面面积在冲於发生变化时对Q冲，淤的影响。实际上Q冲，淤,还受能面比降和糙率的影响，这无疑给校正结果的精度带来了一定的影响。4 结语 （1） 潜山站大断面分析成果显示，多年河床河底平均高程总体态势为淤积发生的年代主要是在上个世纪