通过分析研究修水水位流量关系变化，查找造成水位流量关系发生变化的客观原因，探讨其变化规律，为科学治水、科学决策、科学防灾减灾、科学抢险提供依据。采用修河干流代表站的系列水文资料，对典型站断面冲淤、水位流量变化进行分析，统计不同水文站断面冲淤、水位流量变化，得出修河干流的水位流量变化规律。结果表明；修河干流受河道采砂影响，水位~流量关系不稳定。 Through analyzing the variation of water stage and discharge at Xiu River, variable reasons and rules were explored, which provides certain scientific basis for water conservancy, decision making, disaster prevention, disaster reduction and emergency rescue. The hydrological data series at main stream representative station of Xiu River were used to analyze the section scouring and silting and the change of water level and river flow. The change rules of the water level and river flow in Xiu River was obtained. The result shows that being affected to sand extraction, the water level and river flow in Xiu River main stream are unstable.
桂 笑，江 虹，杨 嘉
江西省水文局，江西 南昌
收稿日期：2017年8月12日；录用日期：2017年8月24日；发布日期：2017年9月5日
通过分析研究修水水位流量关系变化，查找造成水位流量关系发生变化的客观原因，探讨其变化规律，为科学治水、科学决策、科学防灾减灾、科学抢险提供依据。采用修河干流代表站的系列水文资料，对典型站断面冲淤、水位流量变化进行分析，统计不同水文站断面冲淤、水位流量变化，得出修河干流的水位流量变化规律。结果表明；修河干流受河道采砂影响，水位~流量关系不稳定。
关键词 :水位，流量，断面，修水
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改革开放三十多年来经济社会得到了快速发展，由于大量水利工程的建成和运行、流域综合治理、水土保持措施、河道采砂等人类活动的影响，改变了原有天然河流的水沙特性及河流河床的平衡状态，河流的水位流量关系不断发生变化，使得近年来修水上各个水文站最低水位值不断刷新，同时伴随着洪水期出现大流量低水位现象的出现。由于河流特性的改变，河流枯季水位的大幅下降，使得河流沿岸自来水厂、工矿企业取水口露出水面，取水困难现象频繁发生，给工农业生产、城镇居民生活造成不利影响。通过河道水位流量关系变化趋势的研究，揭示造成河流水文特性改变的内在联系及规律，为涉水工程规划设计提供科学依据 [
修水流域地处长江中下游南岸鄱阳湖区西北部，地理位置为东经113˚56'~116˚01'，北纬28˚23'~29˚32'。东临鄱阳湖；南隔九岭山主脉与宜春地区的锦江毗邻；西以九岭山脉之黄龙山、大围山为分水岭，与湖北省的陆水和湖南省的汨罗江相背；北以幕阜山脉为界，与湖北省的富水水系和长江干流相邻。流域面积14,797 km2。流域呈东西宽，南北狭的长方形，西北高而东南低。修水干流自西向东，流经江西省的铜鼓县、修水县、武宁县，由永修县汇入鄱阳湖，全长419 km。
修水水系绕山穿谷、河溪密布，右岸较左岸发达，按流域面积划分，大于100 km2的一级支流19条，大于300 km2的河流8条，大于500 km2的一级支流5条，大于1000 km2的河流2条，大于3000 km2的1条。
修水流域具有典型的南方山区性河流特征，降雨集中，时空分布不均匀，暴雨强度大，易发生连续降水，洪水起涨较快，洪峰量大，维持时间不长，但也经常出现复峰现象。修水流域在二十世纪七十年代以前，洪水多为天然状态，受人为影响较少，后因在其干流先后修建柘林、东津、抱子石、郭家滩等拦河电站大坝，使得洪水过程受到人为的拦蓄和调节。在其下游，受鄱阳湖其它水系和长江干流来水的顶托影响，洪水消退较慢，维持时间相对较长。
1) 分析方法。根据虬津、万家埠水文站历年实测水位流量成果资料，以模拟水位与实测水位的离差平方和最小为目标函数，利用Excel规划求解功能对历年实测数据进行拟合，确定出历年的水位~流量关系曲线方程，绘制历年水位流量关系曲线。
2) 资料使用情况。虬津站选取1983~2014年共32年历年实测资料，万家埠站选取1965~2014年共50年历年实测资料，所选资料质量可靠。
虬津水文站建于1982年1月，位于永修县虬津镇，东经115˚41'、北纬29˚10'，集水面积9914 km2，为国家重要水文站。
测验河段顺直长约600 m，呈上小下大八字型。上游200 m处左岸有一小支流汇入，上游130 m处是虬津老桥，下游500 m处有一向右的湾道，下游730 m处是虬津新桥。河床左岸为细沙，易受冲淤，右岸为卵石、细沙。左岸有一护坡码头，右岸为圩堤坡脚。右岸水位高于24.00 m时有一宽为23 m左右的漫滩。水流关系主要受上游柘林水库蓄、放水影响及下游潦河洪水加入和鄱阳湖回水顶托的共同影响。
万家埠水文站建于1952年1月，位于安义县万埠镇桥南街，东经115˚39'、北纬28˚51'，集水面积3548 km2，为国家基本水文站，是修河最大支流潦河控制站。
测验河段大致顺直，上、下游均有弯道，基下460 m和100 m处有新、老万埠公路大桥各一座。河床由砾石、细沙组成。洪水期河宽约360 m，枯水期一般在120 m左右，有冲淤现象。两岸均有圩堤，特大洪水时，可能缺口，泛滥两岸。洪水期河宽约500 m，枯水期河宽100m左右，两岸有圩堤，左岸堤顶高程28.50 m，右岸堤顶高程32.40 m。
虬津站2010年基本水尺断面(兼流速仪测流断面)上迁了44 m，将1983~2009、2010~2014年实测汛前大断面同比例点绘见图1、图2，从图中可以看出，虬津站断面历年变化较大，2002年前断面逐年下降冲刷，河床下降，2002年以后受河道采砂影响断面下切较大。
根据实测断面资料，计算出历年各水位级断面面积，点绘历年水位面积关系对比图，见图3、图4，从图中可以看出，2000年以前水位~面积曲线比较稳定，各水位级下的过水断面面积虽有增大的趋势，但变幅很小；2000年以后，各水位级下的过水断面面积不断增大。2010年断面上迁44 m后，各水位级下过水断面面积虽有减小趋势，但变化很小，断面基本稳定。
将1965~2014年实测汛前大断面同比例点绘见图5，从图中可以看出，万家埠站断面历年变化较大，2001年前断面逐年下降冲刷，河床下降，2001年以后受河道采砂影响断面下切较大。
根据实测断面资料，计算出历年各水位级断面面积，点绘1965~2014年水位面积曲线见图6。由图可以看出，历年面积曲线呈右移趋势，2000年以前面积曲线变化小，2000年以后面面积逐年增大，从2004~2014年10年间，平槽水位25.00 m以下的平均河底高程由于挖沙影响，断面面积变化特别大，由于断面很不稳定，不做绘制面积综合线及外包线，也不计算每年(次)关系线与综合线各级水位的面积相对偏离百分数(A年 − A综)/A综 × 100%。
虬津站的洪水来源于上游的降水，洪水一般为单峰型，间断性暴雨时也会出现复式或连续多个复式峰型。
图1. 虬津站历年大断面变化对比图(1982~2009年)
图2. 虬津站历年大断面变化对比图(2010~2014年)
图3. 虬津站历年水位面积关系对比图(1982~2009年)
图4. 虬津站历年水位面积关系对比图(2010~2014年)
图5. 万家埠站历年实测大断面图
图6. 万家埠站历年水位面积曲线
受断面冲淤和洪水涨落影响，加上受上游23 km处柘林电厂蓄放水影响以及主汛期鄱阳湖水倒灌顶托及潦河洪水加入顶托影响，本站水流关系较为复杂。每年受鄱阳湖水倒灌顶托期可达2~3个月左右。历年顶托期水位流量测次不参与绘制水位流量关系曲线。绘制历年水位流量关系曲线，见图7。从图中可以看出，历年水位流量关系整体呈逐年右移趋势。
1) 相同水位的流量变化分析。根据低(17.50)、中(19.50)、高(22.00)水位及每年的水位流量关系曲线，统计每年同水位下的流量，各水位级极值见表1；挑选各个年代最高水位发生年份的流量作为代表年(本次分析采用实测资料，水位流量关系未进行延长，下同)，统计计算低、中、高水位级流量变化情况，见表2。
从表1、表2可以看出，水位级越高，流量极值比越小，中高水水位流量关系稳定，收敛程度越集中；极大值与极小值倍比为1.3~3.0倍之间；各水位级流量呈增大趋势。
图7. 虬津站历年水位流量关系线图
| 代表水位(m) | 极大流量(m3) | 出现年份 | 极小流量(m3/s) | 出现年份 | 流量变化值 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 绝对值(m3/s) | 极值比 | |||||
| 17.50 | 304 | 2009 | 103 | 1991 | 201 | 3.0 |
| 19.50 | 955 | 2013 | 586 | 1990 | 369 | 1.6 |
| 22.00 | 2082 | 2014 | 1575 | 2005 | 507 | 1.3 |
表1. 虬津站同水位级下流量极值统计表
2) 多年平均水位级下流量变化分析。虬津水文站多年平均水位为17.93 m，根据该站历年水位流量关系曲线推求其流量值，多年平均水位级下流量变化趋势见图8。
从图8可以看出，在多年平均水位级下，1983~2002年相应流量基本上下来回变动，2003年开始相应流量逐年偏大，2009年又开始下滑。
1) 相同流量的水位变化分析
根据虬津站1983~2014年实测最大流量和历史调查洪水资料，采用P-III型曲线进行频率分析，求得虬津站各种频率设计洪峰流量(变差系数Cv = 0.64，Cs/Cv = 1.5)。本次分析以20%、50%、80%频率的流量作为代表流量，统计每年同流量下的水位，各频率流量相应水位极值见表3；挑选各个年代最高水位发生年份的流量作为代表年，统计计算各频率流量相应水位变化见表4。
从表3、表4中可看出，频率80%的流量级极高与极低水位差值为1.14 m，水位多年变化0.76 m (降低)，年均变化最大水位为−0.03 m，即同流量下每年水位降低0.03 m (1993~2014年)；50%流量级极高与极低水位差值为0.95 m，水位多年变化0.75 m (降低)，年均变化最大水位为−0.04 m，即同流量下每年水位降低0.04 m (2002~2014年)；20%流量级极高与极低水位差值为0.92 m，水位多年变化0.61 m (降低)，年均变化最大水位为−0.02 m，即同流量下每年水位降低0.02 m (1993~2014年)。
| 项代 目表年 | 低水17.50 | 中水19.50 | 高水22.00 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 流量(m3/s) | 累计差值(m3/s) | 变率% | 流量(m3/s) | 累计差值(m3/s) | 变率% | 流量(m3/s) | 累计差值(m3/s) | 变率% | |
| 1983 | 134 | 617 | 1695 | ||||||
| 1993 | 114 | −20.0 | −1.49 | 643 | 26.0 | 0.42 | 1794 | 99.0 | 0.58 |
| 2002 | 157 | 23.0 | 0.90 | 737 | 120 | 1.02 | 1821 | 126 | 0.39 |
| 2014 | 265 | 131 | 3.15 | 892 | 275 | 1.44 | 2082 | 387 | 0.74 |
表2. 虬津站同水位级下代表年流量统计表
图8. 虬津站多年平均水位级下流量变化趋势
| 频率(%) | 代表流量(m3/s) | 最高水位(m) | 出现年份 | 最低水位(m) | 出现年份 | 水位变化值(m) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 80 | 688 | 19.72 | 1992 | 18.58 | 2009 | 1.14 |
| 50 | 1340 | 21.32 | 1992 | 20.37 | 2008 | 0.95 |
| 20 | 2770 | 24.08 | 1998 | 23.16 | 2014 | 0.92 |
表3. 虬津站同流量级下水位极值统计表
| 项目 代 表年 | P = 80%流量688 m3/s | P = 50%流量1340 m3/s | P = 20%流量2770 m3/s | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水位 | 累计差值 | 年均变化 | 水位 | 累计差值 | 年均变化 | 水位 | 累计差值 | 年均变化 | |
| 1983 | 19.71 | 21.30 | 23.77 | ||||||
| 1993 | 19.62 | −0.09 | −0.01 | 21.14 | −0.16 | −0.02 | 23.57 | −0.20 | −0.02 |
| 2002 | 19.36 | −0.35 | −0.03 | 20.98 | −0.32 | −0.02 | |||
| 2014 | 18.95 | −0.76 | −0.03 | 20.55 | −0.75 | −0.04 | 23.16 | −0.61 | −0.02 |
表4. 虬津站同流量级下代表年水位统计表(单位：m)
2) 多年平均流量级下水位变化分析
虬津水文站多年平均流量为286 m3/s，根据该站历年水位流量关系曲线反查其水位值，多年平均流量级下水位变化趋势见图9。
从图9可以看出，在多年平均流量级下，1983~2002年相应水位变化来回变动，2003年开始相应水位逐年下降，2009年又开始上升。
根据上述分析得出，虬津站水位流量关系变化较大，总体呈同水位下流量增大(同流量水位降低) 2002年以前变化较小，2002年以后变化增大，主要是受河道采砂影响，河床下切，过流能力增加。主要根源主要在于人为方面的影响，需要有方法和措施有效的制止挖沙等破坏断面的行为。
万家埠站的流域内以山地为主，植被较好，流域平均年降雨量1600 mm，受地形影响，降雨分布不均，较大洪水多发生在6月份。一般暴雨过后11~20 h出现洪峰。绘制历年水位流量关系曲线，见图10。从图中可以看出，历年水位流量关系呈逐年右移趋势。
1) 相同水位的流量变化分析。根据低(22.50)、中(25.00)、高(28.00)水位及每年的水位流量关系曲线，统计每年同水位下的流量，各水位级极值见表5；挑选各个年代最高水位发生年份的流量作为代表年(本次分析采用实测资料，水位流量关系未进行延长，下同)，统计计算低、中、高水位级流量变化情况，见表6。
从表5、表6中可看出，水位级越高，流量极值比越小，中高水水位流量关系稳定，收敛程度越集中；极大值与极小值倍比为1.3~205倍之间；低水极大值为极小值的205倍；年均变率最大49.8% (2005~2011年)；中水极大值为极小值的2.8倍；年均变率最大1.8% (2005~2011年)；高水极大值为极小值的1.3倍；年均变率最大为1.6% (1969~1977年)。
2) 多年平均水位级下流量变化分析
万家埠水文站多年平均水位为22.54 m，根据该站历年水位流量关系曲线推求其流量值，多年平均水位级下流量变化趋势风图11。
图9. 多年平均流量级下水位变化趋势
图10. 万家埠站历年水位流量关系线图
从图11可以看出，在多年平均水位级下，1965~1998年相应流量基本稳定，1999年开始相应流量逐年偏大。
| 代表水位(m) | 极大流量(m3) | 出现年份 | 极小流量(m3/s) | 出现年份 | 流量变化值 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 绝对值(m3/s) | 极值比 | |||||
| 22.5 | 558 | 2014 | 2.72 | 1974 | 555 | 205 |
| 25.0 | 1627 | 2014 | 584 | 1979 | 1043 | 2.8 |
| 28.0 | 3183 | 1977 | 2487 | 2005 | 696 | 1.3 |
表5. 虬津站同流量级下代表年水位统计表
| 项目 代 表年 | 低水22.50 | 中水25.00 | 高水28.00 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 流量(m3/s) | 累计差值(m3/s) | 变率% | 流量(m3/s) | 累计差值(m3/s) | 变率% | 流量(m3/s) | 累计差值(m3/s) | 变率% | |
| 1969 | 15.8 | 652 | 2810 | ||||||
| 1977 | 25.6 | 9.8 | 7.8 | 717 | 65.0 | 1.2 | 3180 | 370 | 1.6 |
| 1983 | 27.3 | 11.5 | 5.2 | 684 | 32.0 | 0.4 | 2880 | 70.0 | 0.2 |
| 1993 | 50.7 | 34.9 | 9.2 | 779 | 127 | 0.8 | 2650 | −160 | −0.2 |
| 2005 | 147 | 131 | 23.1 | 909 | 257 | 1.1 | 2490 | −320 | −0.3 |
| 2011 | 346 | 330 | 49.8 | 1140 | 488 | 1.8 | 2660 | −150 | −0.1 |
表6. 万家埠站同水位级下代表年流量统计表
图11. 万家埠站多年平均水位级下流量变化趋势
1) 相同流量的水位变化分析。根据万家埠站1965~2014年实测最大流量和历史调查洪水资料，采用P-Ⅲ型曲线进行频率分析，求得万家埠站各种频率设计洪峰流量(变差系数Cv = 0.73，Cs/Cv = 3.0)。本次分析以20%、50%、80%频率的流量作为代表流量，统计每年同流量下的水位，各频率流量相应水位极值见表7；挑选各个年代最高水位发生年份的流量作为代表年，统计计算各频率流量相应水位变化见表8。
从表7、表8中可看出，频率80%的流量级极高与极低水位差值为2.15 m，水位多年变化0.57 m (降低)，
| 频率(%) | 代表流量(m3/s) | 最高水位(m) | 出现年份 | 最低水位(m) | 出现年份 | 水位变化值(m) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 80 | 990 | 25.85 | 1979 | 23.7 | 2014 | 2.15 |
| 50 | 1670 | 26.88 | 1988 | 25.07 | 2011 | 1.81 |
| 20 | 3120 | 28.94 | 2005 | 27.94 | 1977 | 1.00 |
表7. 万家埠站同流量级下水位极值统计表
| 项目 代 表年 | P = 80%流量990 m3/s | P = 50%流量1670 m3/s | P = 20%流量3120 m3/s | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水位 | 累计差值 | 年均变化 | 水位 | 累计差值 | 年均变化 | 水位 | 累计差值 | 年均变化 | |
| 1969 | 25.65 | 26.69 | 28.30 | ||||||
| 1977 | 25.49 | −0.16 | −0.02 | 26.50 | −0.19 | −0.02 | 27.94 | −0.36 | −0.04 |
| 1983 | 25.64 | 0.15 | 0.02 | 26.78 | 0.28 | 0.04 | 28.61 | 0.67 | 0.08 |
| 1993 | 25.44 | −0.20 | −0.02 | 26.63 | −0.15 | −0.02 | 28.57 | −0.04 | 0.00 |
| 2005 | 25.19 | −0.25 | −0.03 | 26.60 | −0.03 | 0.00 | 28.94 | 0.37 | 0.05 |
| 2011 | 24.62 | −0.57 | −0.07 | 26.19 | −0.41 | −0.05 | 28.73 | −0.21 | −0.03 |
表8. 万家埠站同流量级下代表年水位统计表(单位：m)
图12. 多年平均流量级下水位变化趋势
年均变化最大水位为−0.07 m，即同流量下每年水位降低0.07 m (2005~2011年)；50%流量级极高与极低水位差值为1.81 m，水位多年变化0.41 m (降低)，年均变化最大水位为−0.05 m，即同流量下每年水位降低0.05 m (2005~2011年)；20%流量级极高与极低水位差值为1.00 m，水位多年变化0.21 m (降低)，年均变化最大水位为0.08 m，即同流量下每年水位升高0.08 m (1977~1983年)。
2) 多年平均流量级下水位变化分析。万家埠水文站多年平均流量为113 m3/s，根据该站历年水位流量关系曲线反查其水位值，多年平均流量级下水位变化趋势见图12。
从图12可以看出，在多年平均流量级下，1965~1998年相应水位变化不大，1999年开始相应水位逐年下降。
根据上述分析得出，万家埠站水位流量关系变化较大，总体呈同水位下流量增大(同流量水位降低)2000年以前变化较小，2000年以后变化增大，主要是受河道采砂影响，河床下切，过流能力增加 [
本文以修水干流主要控制水文站为研究对象，采用统计分析方法，以断面冲淤变化为基础，探讨水位～流量的变化规律，得到如下结论：修河流域虬津站断面上迁后基本稳定，万家埠站断面受到河道采砂影响有明显冲刷趋势。采用统计分析方法对水文测站的同水位级下流量变化趋势和同流量级下水位变化趋势进行了研究。修河干流受河道采砂影响，水位～流量关系不稳定。
由于受到资料、研究方法和时间等多方面因素的制约，本文对修水干流水位~流量关系变化趋势分析还不够完善，需要在今后的研究中从各方面对其补充完善。
1) 影响水文站水位~流量关系的因素有两个方面：一是几何因素(过水断面面积变化)；二是水力因素(断面流速变化)。河道冲淤会引起过水断面面积变化，洪水涨落、回水顶托等因素引起断面流速改变。本文仅考虑了几何因素对水位~流量关系的影响，在今后研究中需补充水力因素对水位~流量关系的影响。
2) 本研究定性说明了几何因素对水位~流量关系的影响，未进行定量分析，在今后研究中应对引起水位~流量关系变化的因素进行定量分析，定量说明某一因素在水位~流量关系变化中的确定值。
桂 笑,江 虹,杨 嘉. 修水干流水位流量变化趋势分析Variation Trend Analysis of Water Stage and Discharge in Xiu River[J]. 水资源研究, 2017, 06(05): 486-498. http://dx.doi.org/10.12677/JWRR.2017.65057