周海龍

（阿克蘇水文勘測(cè)局，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

天然河流在徑流形成和運(yùn)行過(guò)程中，常挾帶不同程度的泥沙顆粒，造成河床淤積、河道改變，給防洪、灌溉及水利建設(shè)帶來(lái)不同程度的影響。新疆木扎提河屬于渭干河流域，發(fā)源于天山南麓，北起天山山脈，南至塔克拉瑪干沙漠，流域海拔最高點(diǎn)6769 m，最低點(diǎn)1160 m，河流全長(zhǎng)242 km，年徑流量14.41×108m3，末端最終流入克孜爾水庫(kù)。分析研究木扎提河流泥沙特征對(duì)整個(gè)流域水資源開發(fā)利用、防洪工程建設(shè)和社會(huì)生產(chǎn)具有重要意義。

1 參證站泥沙代表性分析

木扎提河上有托克遜水文站，位于新疆拜城縣托克遜鄉(xiāng)，建于1986年，是克孜爾水庫(kù)入庫(kù)洪水水情信息站，流域集水面積14767 km2。托克遜水文站泥沙為二類精度，懸移質(zhì)泥沙項(xiàng)目觀測(cè)從1987年開始至今，有完整的30年（1987年～2017年）資料系列長(zhǎng)度。由于木扎提河托克遜站沒(méi)有推移質(zhì)泥沙監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，故僅以懸移質(zhì)含沙量和輸沙量為主，做木扎提河泥沙分析。

通過(guò)對(duì)木扎提河托克遜站1987年～2008年懸移質(zhì)輸沙量不同系列長(zhǎng)度均值及CV距法估計(jì)值和相對(duì)偏差比較，當(dāng)系列長(zhǎng)度達(dá)到18年時(shí)，懸移質(zhì)年輸沙量均值相對(duì)誤差小于±2.0%。當(dāng)系列長(zhǎng)度達(dá)到21年時(shí)，懸移質(zhì)年輸沙量CV值趨近0.99，CV值相對(duì)誤差小于±3.0%，懸移質(zhì)年輸沙量均值趨近912×104t。通過(guò)繪制托克遜水文站模比系數(shù)差積曲線圖可知，自1987年以來(lái)輸沙量系列包含了豐、平、枯三個(gè)變化過(guò)程。1989年～2001年的懸移質(zhì)年輸沙量在均值之下，為一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期枯水年群；2002年～2006年的懸移質(zhì)年輸沙量在均值之上，是一個(gè)豐水年群；1987年～1988年、2007年～2008年為平水年群，其多年平均輸沙量基本趨于穩(wěn)定。由此認(rèn)為木扎提河托克遜站懸移質(zhì)泥沙系列具有一定的代表性，可作為木扎提河參證站，進(jìn)行泥沙分析。

2 懸移質(zhì)泥沙時(shí)空分布及影響因素分析

影響河流挾沙能力的因素有氣候、下墊面、土壤等，其中氣候因素中影響最大的是風(fēng)和降水，其次是流域地表的凍融破壞狀況。發(fā)源于汗騰格里峰東坡大陸冰川區(qū)的木扎提河，以冰川融水補(bǔ)給為主，其上游冰川廣布，冰河蜿蜒。在地貌單元上，由北向南可分為侵蝕中高山、剝蝕低山丘陵、山前堆積地形，其間還分布著山間斷陷盆地—拜城盆地，地貌形態(tài)復(fù)雜多變，呈北高南低的地形特征，流域內(nèi)松散碎屑物質(zhì)多。流域內(nèi)植被稀少，氣溫隨高程變化而降低、河道流程長(zhǎng)、盛行北風(fēng)，其中最大風(fēng)速24 m/s，年平均風(fēng)速1.9 m/s。夏季降雨頻繁。這些因素造成木扎提河懸移質(zhì)泥沙年內(nèi)分配極不均勻，且主要集中在洪汛期進(jìn)行輸移。隨著徑流的變化，河道中含沙量年內(nèi)和年際變化均較大。

木扎提河托克遜水文站實(shí)測(cè)系列年含沙量在0.616 kg/m3～15.4 kg/m3之間。其徑流量年際變化較大的主要原因是：區(qū)內(nèi)秋冬為低溫天氣，風(fēng)沙沉積，春夏季節(jié)，隨著氣溫升高，冰雪融化，河道徑流增加，河川徑流含沙量增大。加之夏季大風(fēng)較多，并伴有沙塵。當(dāng)發(fā)生暴雨洪水時(shí)，水流集中，流速大，水流挾沙能力加強(qiáng)，使得河流含沙量因流域氣候的干旱程度及暴雨洪水強(qiáng)度的增加而在短期內(nèi)劇增。木扎提河托克遜水文站多年平均含沙量為3.21 kg/m3，實(shí)測(cè)最大含沙量283 kg/m3，出現(xiàn)在2002年7月，年平均最小含沙量為0.616 kg/m3，出現(xiàn)在2011年。

從表1可以看出：冬季隨著氣溫下降，流域表面被積雪覆蓋，坡面產(chǎn)沙停止，河流含沙量也較小。隨著氣溫的回升大地解凍，地表土壤結(jié)構(gòu)變得松散，在季節(jié)性積雪消融和夏季雨洪的推動(dòng)下，大量泥沙匯入河流，河道的輸沙量急劇增加。從而可知，懸移質(zhì)含沙量的變化與河道來(lái)水量關(guān)系密切，因此泥沙變幅更加劇烈。

表1 懸移質(zhì)多年平均含沙量統(tǒng)計(jì)表 單位：kg/m3

3 懸移質(zhì)輸沙量分析

3.1 托克遜水文站懸移質(zhì)輸沙量

統(tǒng)計(jì)木扎提河托克遜水文站懸移質(zhì)多年平均輸沙量見(jiàn)表2，可知，木扎提河的輸沙量隨著河道徑流量、含沙量的大小變化而變化。木扎提河托克遜站多年平均徑流量為22.47×108m3,多年平均輸沙率為247 kg/s，多年平均輸沙量為779×104t，歷年實(shí)測(cè)日最大懸移質(zhì)輸沙量為4750×104t，為2002年7月23日。懸移質(zhì)輸沙量與含沙量變化基本一致，輸沙量主要集中在汛期的6月～8月，非汛期所占比重很少，

表2 懸移質(zhì)多年平均輸沙量統(tǒng)計(jì)表

3.2 懸移質(zhì)輸沙量的年內(nèi)分配

木扎提河托克遜站懸移質(zhì)輸沙量與含沙量變化基本一致。夏季輸沙量高度集中。統(tǒng)計(jì)木扎提河托克遜水文站30年的實(shí)測(cè)懸移質(zhì)泥沙資料，可知：連續(xù)最大四個(gè)月輸沙量集中在5月～8月，占多年平均輸沙量的93.7%，最大月平均輸沙量均出現(xiàn)在7月份，占到年輸沙量的45.1%；最小月輸沙量多出現(xiàn)在1月份，最大月輸沙量是最小月輸沙量的190倍；四季中，夏季6月～8月輸沙量，占多年平均輸沙量的89.3%,冬季12月～2月輸沙量最小，僅占多年平均輸沙量的0.8%。

可見(jiàn)木扎提河懸移質(zhì)泥沙年內(nèi)變化大和集中程度很高，其集中出現(xiàn)于河川徑流量最大的夏季，該現(xiàn)象對(duì)流域內(nèi)的水利工程設(shè)施運(yùn)行,灌區(qū)水資源的合理配置利用造成嚴(yán)重影響。尤其是多沙年份，輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，比徑流量的年內(nèi)變化大得多，輸沙量的年內(nèi)集中程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑流量的集中程度。

3.3 懸移質(zhì)泥沙含沙量、輸沙量年際變化

木扎提河受流域內(nèi)植被覆蓋率、土壤特性、下墊面條件以及氣候的干旱程度和暴雨洪水大小、頻次等因素的影響，其含沙量和輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在夏季，年內(nèi)和年際變化均較大。最大年含沙量是15.4 kg/m3，最小年含沙量0.616 kg/m3，最大年是最小年25.0倍，最大年輸沙量是4750×104t，最小年輸沙量152×104t，最大年是最小年的31.3倍。

木扎提河輸沙量的年際變化差異與河川徑流量的補(bǔ)給形式有密切的關(guān)系，特別是局部暴雨洪水，將直接影響河流輸沙量的大小。木扎提河的大洪水和特大洪水，主要由融雪洪水疊加了暴雨洪水后形成了混合型洪水。這種洪水具有挾沙量大的特點(diǎn)。2002年“7·23”木扎提河托克遜水文站發(fā)生了有歷史實(shí)測(cè)資料以來(lái)的最大洪水，7月21日～28日?qǐng)龃魏樗側(cè)霂?kù)輸沙量4268.7×104t，場(chǎng)次洪水輸沙量是歷年7月總輸沙量的10.4倍，占當(dāng)年7月總輸沙量的99%，占當(dāng)年6月～8月總輸沙量的70%，這場(chǎng)洪水帶來(lái)的泥沙增加了克孜爾水庫(kù)泥沙的淤積量。

從木扎提河托克遜水文站水沙對(duì)應(yīng)關(guān)系圖（圖1）中看出：豐水年基本對(duì)應(yīng)豐沙年，水、沙年變化過(guò)程相對(duì)應(yīng)，沙量與水量的增減關(guān)系密切，但沙量的變化幅度比水量的變化幅度大的多。

圖1 木扎提河托克遜水文站水沙變化過(guò)程線圖

木扎提河輸沙量的大小與河流補(bǔ)給形式也有密切的關(guān)系，特別是2002年7月23日木扎提河受中淺山區(qū)暴雨及中高山區(qū)積雪不斷融化的影響，導(dǎo)致暴雨和融雪型混合型的洪水的發(fā)生，洪水歷史排位第一，輸沙量歷史排位第一。

3.4 輸沙模數(shù)分析

輸沙模數(shù)是研究土壤侵蝕程度的重要指標(biāo)。其大小主要由河流徑流量的大小、暴雨強(qiáng)度、流域坡度、植被覆蓋度及地質(zhì)條件所決定。木扎提河在冰川的強(qiáng)烈剝蝕作用下，大量的冰川融水?dāng)y帶了高山區(qū)的疏散冰磧物，再加中低山帶廣泛分布著中生代第三系沉積巖，在夏季暴雨洪水沖蝕下，大量冰磧物、泥巖碎屑被帶入河道，根據(jù)托克遜水文站監(jiān)測(cè)資料，其30年的輸沙模數(shù)均值達(dá)1588 t/km2，是渭干河流域河流中輸沙模數(shù)最大的河流。這也足以說(shuō)明木扎提河含沙量大，應(yīng)引起重視。

3.5 推移質(zhì)泥沙估算

由于木扎提河托克遜站沒(méi)有推移質(zhì)泥沙資料，該站推移質(zhì)泥沙采用有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式估算。計(jì)算公式如下：

式中：Wt為推移質(zhì)輸沙量，萬(wàn)t；Wx為懸移質(zhì)輸沙量，萬(wàn)t；Β為推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量比值。

在水文分析計(jì)算中，河流推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量比值β的取值通常為：平原河流取0.01～0.05；丘陵區(qū)河流取0.05～0.15；山區(qū)河流取0.15～0.30。依據(jù)上述適用條件與取值范圍，并根據(jù)木扎提河的實(shí)際情況，本次計(jì)算β取值0.15。由公式（1）估算出托克遜水文站（1987年～2008年）年平均推移質(zhì)輸沙量為136.7×104t，見(jiàn)表3。

表3 木扎提河托克遜站1987年～2008年平均推移質(zhì)輸沙量統(tǒng)計(jì)表 單位：104 t

4 結(jié)語(yǔ)

河流含沙量的大小及分布反映了流域下墊面的侵蝕程度、匯流特性、降雨強(qiáng)度、河流徑流特性及人類活動(dòng)影響。木扎提河是渭干河最大的支流，其年輸沙量也最大。本文通過(guò)對(duì)木扎提河懸移質(zhì)泥沙的時(shí)空變化分析可看出：木扎提河輸沙量的年內(nèi)集中程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑流量的集中程度，輸沙量最大年份連續(xù)最大四個(gè)月輸沙量占到年輸沙量的99.1%，年內(nèi)分配極不均勻，年平均推移質(zhì)輸沙量為136.7×104t，在引水及防洪工程建設(shè)中，要充分考慮泥沙帶來(lái)的影響。