袁寄望，宗全利，馮 博

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

塔里木河(以下簡(jiǎn)稱塔河)干流河段類型可分為游蕩型，過渡段和彎曲型3種。長(zhǎng)期存在的主要現(xiàn)象是河床沖淤變化十分頻繁，局部河勢(shì)擺動(dòng)較大等[1]。近幾十年來，由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響，來流水沙條件發(fā)生了很大變化，尤其對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)更為敏感[2-4]：2005—2009年汛期水量呈逐年遞減，減幅約為75%；2010—2013年汛期水量增加，增幅在272%～561%，但含沙量變化不大，可見汛期水量變化比較顯著。沖積河流的河床形態(tài)調(diào)整主要取決于來水量、來沙量及其過程[5]，因此塔河干流河床形態(tài)也經(jīng)歷著新的沖淤調(diào)整過程：2005—2013年塔河干流河段河槽先經(jīng)歷明顯的持續(xù)萎縮，而后持續(xù)沖刷?？傮w上，目前塔河河床形態(tài)調(diào)整仍然十分劇烈。

掌握塔河干流河段的河槽形態(tài)調(diào)整規(guī)律是塔河治理和維持水資源可持續(xù)利用的基礎(chǔ)，在以往治理塔河工作中已經(jīng)取得了很多重要成果。較早的有馮起等[6]根據(jù)塔河干流河道上游水沙條件，分析了河道的沖淤變化，提出了河道主槽擺動(dòng)頻繁，漲水沖刷，落水淤積等特點(diǎn)。隨著水沙數(shù)據(jù)逐漸完善，研究者對(duì)塔河干流河床形態(tài)調(diào)整的研究更加深入。王延貴等[7-9]根據(jù)1957—2000年的水沙數(shù)據(jù)及對(duì)地形資料的對(duì)比分析，對(duì)干流河道的水力幾何形態(tài)、河相關(guān)系及河勢(shì)變化等方面進(jìn)行了研究，分析了典型斷面形態(tài)隨流量的變化趨勢(shì)，但沒有涉及綜合水沙條件對(duì)河床形態(tài)調(diào)整的影響。在河槽形態(tài)隨來流水沙的變化過程方面，國(guó)內(nèi)外有大量比較完善的研究成果，如Leopold等[10]通過分析美國(guó)西部大量平原河流的水沙資料，建立了河槽形態(tài)與相應(yīng)年均流量之間的經(jīng)驗(yàn)公式；He等[11]用2年一遇的流量預(yù)測(cè)了多個(gè)斷面的平灘河槽形態(tài)；也有學(xué)者指出平灘河槽形態(tài)可以用造床流量、床沙中值粒徑和河床縱比降表示[12-14]。上述研究都是針對(duì)平衡狀態(tài)下的沖積河流。對(duì)于經(jīng)歷了河床形態(tài)劇烈調(diào)整的非平衡河流，馮普林等[15]在1973—1997年水沙及斷面資料的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了黃河下游不同河段河槽橫斷面形態(tài)隨時(shí)間和流量變化的特征，建立了河槽橫斷面形態(tài)指標(biāo)與河段進(jìn)口前期水沙系列的定量關(guān)系；費(fèi)祥俊[16]提出來水來沙對(duì)黃河下游河槽形態(tài)及河型有塑造作用，并推出了河槽形態(tài)及河型與來水來沙之間的定量關(guān)系；吳保生等[17-18]認(rèn)為河槽形態(tài)調(diào)整受前期水沙條件累積的影響，建立了平灘面積與前期幾年來水量和來沙系數(shù)之間的計(jì)算公式，且取得了較好的相關(guān)關(guān)系；夏軍強(qiáng)等[19-20]建立了平灘河槽形態(tài)參數(shù)與前期5年平均的汛期水流沖刷強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并用于預(yù)測(cè)該河段平灘河槽形態(tài)隨水沙條件的變化趨勢(shì)。以上研究成果為探究塔河河槽形態(tài)調(diào)整特點(diǎn)提供了重要參考依據(jù)。

圖1 塔河中上游河段示意圖

本文采用2005—2013年塔河干流實(shí)測(cè)的水沙數(shù)據(jù)及典型斷面汛后實(shí)測(cè)地形資料，確定水沙變化特點(diǎn)及典型斷面形態(tài)變化過程，然后在分析河床形態(tài)與上游水沙條件之間的關(guān)系時(shí)，引入相應(yīng)關(guān)系式，綜合水沙條件，全面考慮汛期來水來沙對(duì)河槽形態(tài)的影響，以更加準(zhǔn)確地描述河槽形態(tài)調(diào)整規(guī)律。

1 近期塔河干流河床演變特點(diǎn)

1.1 河段概況

塔河是中國(guó)流程最長(zhǎng)的內(nèi)陸河，從三源匯合處(肖夾克)至恰拉水文站，河段長(zhǎng)度約為900 km。由于沿程水量損失和工程引水，平均年徑流量和輸沙量沿程遞減。恰拉水文站以下河段徑流較小，水流已不是河道地貌演變的主要驅(qū)動(dòng)力，本文暫不分析該河段。塔河干流發(fā)育辮狀和蜿蜒2種河道平面形態(tài)。辮狀河型主要分布在肖夾克至新其滿河段，長(zhǎng)約250 km；典型的蜿蜒河型主要分布在曲毛格金下游[21]。干流來水的控制站主要有阿拉爾水文站、新其滿水文站、英巴扎水文站、烏斯?jié)M水文站及恰拉水文站。汛期河床經(jīng)常發(fā)生顯著的垂向沖淤變化和橫向擺動(dòng)。塔河中上游河段基本情況如圖1所示。

塔河三源匯合口到新其滿水文站上游47 km的其滿水庫引水口為典型的游蕩型河段，長(zhǎng)約190 km[7]。該河段總體為寬淺型，斷面形態(tài)以“U”形為主。汛期時(shí)，洪水漫溢，河漫灘發(fā)育，河道邊界條件經(jīng)常處于變動(dòng)狀態(tài)，使得主槽位置極不穩(wěn)定，河勢(shì)多變[1]，河槽斷面多為復(fù)式斷面。圖2(a)為阿拉爾水文站附近2011年汛后典型斷面，由圖2(a)可知，該河段右岸低灘灘地寬91 m，邊灘灘地寬約520 m，高灘與主槽直接相鄰，主槽區(qū)域?qū)挾燃s為1 280 m，為寬淺型河段。圖2(b)為三源匯合口附近典型斷面，由圖2(b)可知，該河段出現(xiàn)較多心灘，一個(gè)斷面中有兩個(gè)或3個(gè)主槽，高灘和河槽的高程差不大，且邊灘和低灘高程與常水位相差不多，是泥沙淤積的主要位置，河槽和灘地地貌特征很難辨認(rèn)。

圖2 典型斷面主槽形態(tài)

其滿水庫引水口至帕滿水庫河段長(zhǎng)約70 km，為游蕩型向彎曲型發(fā)展的過渡河段，兼具游蕩型和彎曲型河段的典型特征，河槽寬度與游蕩型河段比相對(duì)較窄，主槽形態(tài)明顯，主流擺動(dòng)比較穩(wěn)定[1]。

帕滿水庫至恰拉水文站河段長(zhǎng)約640 km，為彎曲型河段，河道外形蜿蜒曲折，河道寬度進(jìn)一步縮窄，主流橫向擺動(dòng)不明顯，河床主槽比較穩(wěn)定，但是部分河段還是存在著顯著的沖淤現(xiàn)象[1]。

1.2 水沙特性變化

為確定塔河中上游河段平灘河槽形態(tài)調(diào)整特點(diǎn)，對(duì)該河段的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。1990—2000年平均年徑流量為45.8億m3，汛期徑流量占全年的76%；2005—2013年平均年徑流量為45.2億m3，汛期徑流量占全年的79%；相比1990—2000年，平均年徑流量有所減小，汛期水量占比增大。2005—2013年汛期水量占比基本穩(wěn)定， 其中2005—2009年平均汛期徑流量為28.2億m3，占全年的79%；2010—2013年平均汛期徑流量為45.5億m3，占全年的80%，比2005—2009年增大61.3%。2005—2013年汛期月均含沙量變化幅度不大，2005—2009年汛期月均含沙量為2.2 kg/m3，2010—2013年在流量有所增大的情況下，含沙量增大到2.5 kg/m3。總體上，近年來塔河干流含沙量變化較緩和，水量增大程度較劇烈。

可用各水文站實(shí)測(cè)的汛期水沙數(shù)據(jù)代表進(jìn)入干流的水沙條件[20]。為進(jìn)一步分析塔河汛期水沙變化特點(diǎn)，圖3(a)給出了2005—2013年各水文站汛期日均流量的逐年變化過程：2005—2009年中上游河段汛期來流量呈逐年遞減趨勢(shì)，減幅在63%～90%；2010—2013年汛期水量增大，但期間各年汛期流量變幅不大；從圖3(a)中還可看出水量沿程分配情況，2005—2013年阿拉爾站平均汛期流量為357.1 m3/s、新其滿站為284.7 m3/s、英巴扎站為212.4 m3/s、烏斯?jié)M站為111.9 m3/s、恰拉站為40.5 m3/s。上述相鄰水文站之間的多年平均汛期流量減少量分別為72.4 m3/s、72.2 m3/s、100.6 m3/s、71.3 m3/s，可見英巴扎下游河段流量遞減幅度較大。

圖3(b)為2005—2013年各個(gè)水文站汛期平均含沙量的逐年變化過程：2005—2009年游蕩型河段(阿拉爾站)汛期平均含沙量明顯大于彎曲型河段(英巴扎站、烏斯?jié)M站)；且整個(gè)河段含沙量變化趨勢(shì)與流量變化趨勢(shì)基本一致，都呈沿程減小趨勢(shì)；2012—2013年彎曲型河段汛期平均含沙量增大，尤其是烏斯?jié)M站附近河段，含沙量增大顯著，多年平均汛期含沙量從2005—2009年的1.8 kg/m3增大到2.7 kg/m3。

圖3 各水文站汛期日均流量和含沙量

1.3 橫向形態(tài)調(diào)整

平灘河槽形態(tài)變化可用平灘河槽形態(tài)特征參數(shù)(平灘河寬、水深、面積及河相系數(shù))來描述。計(jì)算這些參數(shù)首先需要確定主槽范圍及平灘高程[22]。由于塔河游蕩型河段斷面形態(tài)不規(guī)則，確定各斷面的主槽區(qū)域及高程有一定困難，本文通過繪制相鄰年份固定斷面的汛后地形來確定各斷面平灘高程，主要依據(jù)以下原則：①當(dāng)主槽灘唇明顯時(shí)，以兩岸灘唇較低者為平灘高程；②當(dāng)主槽灘唇明顯，但與相鄰斷面的平灘高程差距較大時(shí)，通?？紤]相鄰斷面的灘唇高度，進(jìn)行綜合確定；③當(dāng)主槽灘唇不明顯或出現(xiàn)二級(jí)灘唇時(shí)，則參考該斷面相鄰測(cè)次的平灘高程，盡可能使灘唇高度不發(fā)生大的變動(dòng)。

圖5 阿拉爾斷面平灘河槽形態(tài)及其參數(shù)變化

根據(jù)上述原則，確定了位于干流上5個(gè)典型水文斷面2005—2011年汛后的主槽形態(tài)參數(shù)。河槽沖淤主要反映為平灘面積的變化[23]，故圖4給出了不同斷面的平灘面積變化。由圖4可知，2005—2009年各斷面的平灘面積總體上呈下降趨勢(shì)，減幅在60.5%～97.3%；2010—2011年隨著來水量的增大，河槽發(fā)生沖刷，2011年各斷面的平灘面積累計(jì)增大(較2009年)143.9%～453.4%?？梢娪捎?007—2009年徑流量的持續(xù)偏枯，以及2010—2011年徑流量的持續(xù)增大，平灘河槽形態(tài)調(diào)整十分劇烈。為了進(jìn)一步了解平灘河槽沖淤調(diào)整過程，選取了2個(gè)典型斷面作為代表：塔河上游的阿拉爾斷面，其形態(tài)變幅較大，能夠較好地響應(yīng)水沙條件變化；英巴扎斷面，其平灘面積相對(duì)穩(wěn)定，主槽區(qū)域易于確定。

圖4 不同斷面平灘面積變化

阿拉爾斷面2005—2011年汛后的平灘河槽形態(tài)、平灘河寬及河相系數(shù)的變化過程見圖5。由圖5可知，該斷面形態(tài)變化復(fù)雜，2005—2009年河道主槽逐漸萎縮，平灘河寬減幅約為47.7%，平灘水深變幅不大，基本維持在0.53～0.98 m之間，平灘面積減小了66.1%；2010年汛后斷面右岸發(fā)生沖刷，左岸淤積，2011年右岸累計(jì)崩退(較2009年)400 m，左岸淤積近70 m，平灘河寬增加了330 m，相應(yīng)的平灘面積增大了303.4%。河相系數(shù)從2009年汛后的31.1增大到2011年的34.4，由于橫向展寬顯著，斷面朝寬淺方向發(fā)展。

彎曲型河段河槽形態(tài)變化相對(duì)穩(wěn)定，圖6為英巴扎斷面2007—2011年汛后的平灘河槽形態(tài)、平灘河寬及河相系數(shù)的變化過程。由圖6可知，2007—2009年河槽形態(tài)總體上變化不大，平灘河寬維持在60.9～110.0 m，平灘面積在77.9～230.3 m2之間變化；自2010起，河槽形態(tài)調(diào)整顯著，與過去幾年比較，2011年汛后該斷面左岸累計(jì)崩退約18 m，右岸淤積30 m，雖然河寬縮窄，但平灘面積相比2009年增大了453.4%；河相系數(shù)從2009年的6.1減小到2.2，減幅達(dá)到63.9%，河槽形態(tài)趨于窄深。

圖6 英巴扎斷面平灘河槽形態(tài)及其參數(shù)變化

為了更準(zhǔn)確地描述河槽形態(tài)調(diào)整特點(diǎn)，對(duì)中上游河段斷面2009年和2011年汛后的平灘河槽形態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，河相系數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表1。結(jié)果表明：當(dāng)河槽發(fā)生沖刷時(shí)，游蕩段河寬增大，相比2009年，2011年河相系數(shù)由6.0～43.3增大到16.6～56.2，增大了4%～192%，斷面趨于寬淺；彎曲型河段平灘河寬變化不大，河相系數(shù)減小了2%～70%，斷面趨于窄深；所選典型斷面的平灘河槽形態(tài)調(diào)整過程及特點(diǎn)符合河段的河槽形態(tài)調(diào)整規(guī)律，且近期塔河中上游河段平灘河槽形態(tài)的調(diào)整，主要表現(xiàn)為平灘河寬的變化。

表1 塔河干流中上游河段典型斷面的河相系數(shù)

1.4 縱向形態(tài)調(diào)整

當(dāng)來流水沙條件及邊界條件與河道的輸水輸沙、斷面過流能力不平衡時(shí)，河床在調(diào)整沖淤過程中，河床比降會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，因此縱剖面的調(diào)整也是河槽形態(tài)演變的重要原因[1]。和2000年以前相比，塔河干流河道的河床縱比降發(fā)生了新的調(diào)整。

2009—2011年干流河段縱向沖刷，淤積分布不均勻，整個(gè)河段比降基本變化不大，維持在0.016 0%左右，相比往年有所減小。為詳細(xì)分析各河段的沖淤情況，圖7給出了不同河段2009年和2011年深泓線沿程變化情況，通過對(duì)沿程各斷面深泓線高程與距攔河閘距離進(jìn)行線性回歸，得到各分河段比降。

圖7 各河段深泓沿程變化

圖7(a)為游蕩型河段2009—2011年深泓線的變化情況，自三源匯合口到阿拉爾化工廠上游1 km河段深泓高程變化不大；阿拉爾化工廠上游1 km到科克庫勒村河段，深泓下切較為突出，平均沖深達(dá)0.64 m；科克庫勒村到一棵樹河段，沖淤過程沿河段交替進(jìn)行，整個(gè)河段比降在2011年有所減小，從2009年的0.023 5%下降到0.023 1%，由于沖刷距離較短，河道比降變化不大，并且這種趨勢(shì)繼續(xù)影響過渡段的主槽形態(tài)演變。

圖7(b)為過渡段2009—2011年深泓線的變化情況，縱比降比游蕩型河段略有減小，但其河槽形態(tài)調(diào)整仍然與上游來水來沙條件有關(guān)，上游沖刷帶來的泥沙在過渡段內(nèi)大量落淤，導(dǎo)致縱比降變幅比游蕩型河段大，河段比降從2009年的0.023 3%減小為0.022 6%。

圖7(c)為彎曲型河段2009—2011年深泓線的變化情況，由于上游來水量增加，2011年進(jìn)入彎曲型河段的汛期水量是2005—2008年平均汛期水量的1.7倍(2009年是枯水年，暫不將其考慮在內(nèi))，而來沙量和上游相差不大，故彎曲型河段受上游來水的影響較大，河段比降從2009年的0.012 4%增大到0.012 6%。

綜上所述，2009—2011年水沙條件的改變引起了河床縱剖面的調(diào)整，但河床縱向沖淤遠(yuǎn)不如橫向變形劇烈。對(duì)于河床縱剖面，如果河槽土體組成顆粒較細(xì)且均勻，沖刷時(shí)不易形成粗化層，則沖刷距離較短，河床縱比降有變緩的趨勢(shì)，但若水少沙多，則河床縱比降變陡[24-25]。因此，游蕩型河段在水多沙少及沖刷發(fā)展距離較短的情況下，河床縱比降趨于調(diào)平；這種變化趨勢(shì)延伸到過渡段，過渡段縱比降進(jìn)一步趨于調(diào)平；彎曲型河段同樣受上游水沙量變化的影響，進(jìn)入的水沙相比上游而言，屬于水少沙多的情況，則縱比降有所增大，河床有輕微沖刷的現(xiàn)象，但調(diào)整幅度小于游蕩型河段及過渡段。

2 影響河床調(diào)整過程的因素

2.1 河床土體組成分析

河道主槽沖淤過程不僅與來流水沙條件有關(guān)，還與河岸土質(zhì)條件(土體組成及其物理力學(xué)特性等)密切相關(guān)[26]。河床土質(zhì)組成條件在一定程度上決定著河勢(shì)的發(fā)展及縱橫斷面的調(diào)整形式，影響著下游斷面形態(tài)的塑造[27]。通過分析塔河游蕩段河床形態(tài)調(diào)整特點(diǎn)，得知該河段沖刷時(shí)右岸崩退嚴(yán)重，左岸淤積，所以只考慮右岸河床土體組成，而彎曲型河段主要表現(xiàn)為凹岸崩退，凸岸淤長(zhǎng)規(guī)律，土體組成應(yīng)根據(jù)具體情況分析。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)河岸土體進(jìn)一步探究，綜合多種因素，深入分析河岸侵蝕特點(diǎn)。

圖8 塔河上游河岸侵蝕現(xiàn)狀(2016-05-24)

圖8為2016年5月實(shí)地拍攝的河道現(xiàn)狀照片，可以看出，位于塔河上游局部河段的河床在水流沖刷作用下，河岸出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。對(duì)河岸沖刷較為嚴(yán)重的河段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，分別在阿拉爾新大橋，沙雅大橋等6個(gè)不同河段取樣，每個(gè)取樣點(diǎn)用環(huán)刀取樣并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)稱重，所有原狀土體用鐵皮密封，鐵皮筒直徑為0.11 m，高度為0.25 m，土樣包括28筒原狀土。

通過典型河岸土體現(xiàn)場(chǎng)取樣與室內(nèi)土工試驗(yàn)情況，確定了土體基本物理性質(zhì)、土體力學(xué)特征以及河岸土體的垂向組成。圖9為塔河中上游河岸泥沙級(jí)配構(gòu)成，依據(jù)土體分層取樣結(jié)果，塔河中上游河段河岸表層土體主要由粉土質(zhì)砂和含細(xì)粒土砂組成，0～2.5 m為黏土和粉細(xì)砂互層，2.5～20.0 m以粉細(xì)砂為主，其中三河源、阿拉爾新大橋、托帕可科其提村、瓊吾斯庫木及沙雅大橋位于塔河上游，床沙中值粒徑為0.064～0.183 mm，泥沙較細(xì)，抗沖刷能力較弱，主槽處的泥沙相比河岸較粗，抗沖刷能力比河岸土體強(qiáng)。土體物理力學(xué)特性表明，無植被覆蓋的土體天然狀態(tài)時(shí)內(nèi)摩擦角為30.72～33.93°，黏聚力為3.14～16.51 kPa，含水率為19.84%～30.21%，干密度為1.34～1.61 g/cm3，所取斷面含水率均較高，且干密度相對(duì)較小，表明土體單位體積內(nèi)土顆粒較少，相對(duì)松散，對(duì)應(yīng)的黏聚力小，土體容易沖刷。故隨著2010—2011年汛期水量的增大，必然會(huì)引起近岸及河床的持續(xù)沖刷。又由于主槽河床的抗沖性較河岸強(qiáng)，河床形態(tài)調(diào)整主要表現(xiàn)為平灘河寬的變化。中游彎曲型河段部分河岸土體組成沒有垂向分層結(jié)構(gòu)，主要由級(jí)配不良砂組成，如二師31團(tuán)4連位于中游的下游河段，中值粒徑為0.131～0.193 mm，河岸泥沙顆粒較粗，土體的含水率和干密度與上游相比，在其變化范圍之內(nèi)，而黏聚力降低，河床形態(tài)調(diào)整更容易受水沙變化的影響。由于局部河段護(hù)岸工程的作用，在一定程度上限制了平灘河寬的變化，河床在水流的長(zhǎng)期沖刷下不斷沖深下切。

圖9 塔河各河段泥沙級(jí)配構(gòu)成

2.2 水流沖刷強(qiáng)度

Xia等[28]研究荊江河段河槽形態(tài)調(diào)整特點(diǎn)的有關(guān)成果表明，平灘河槽形態(tài)調(diào)整與前期水沙條件存在很大的相關(guān)性，來流水沙條件可以用汛期的水流沖刷強(qiáng)度表示，并建立了河段汛期平均的水流沖刷強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式用來反映平灘河槽形態(tài)隨來流水沙的調(diào)整變化：

采用2005—2013年塔河干流各水文站來水來沙數(shù)據(jù)資料，確定每個(gè)河段的汛期范圍、汛期天數(shù)和懸移質(zhì)含沙量，進(jìn)一步計(jì)算出每年的水流沖刷強(qiáng)度如表2所示。

表2 塔河干流汛期平均流量、含沙量及水流沖刷強(qiáng)度

從表2中可以看出，2005—2009年游蕩型河段汛期平均含沙率變化不大，基本維持在3.0 kg/m3左右，而水量卻大幅度逐年減小，結(jié)合汛期水流沖刷強(qiáng)度公式可知，水量減小會(huì)使水流沖刷強(qiáng)度降低，因此水流沖刷強(qiáng)度呈逐年減小的趨勢(shì)，減幅約為89.8%。2010年水量劇增，且2010—2013年每年水量變化不大，雖然水量相比2009年之前有所增大，但平均汛期含沙量減小到2.3 kg/m3。河流含沙量降低，沙量補(bǔ)給不足，造成河床沖刷加劇[29]，因此水流沖刷強(qiáng)度增大。由于水流沖刷強(qiáng)度增大，位于游蕩型河段的海婁牧場(chǎng)斷面2011年河寬累計(jì)崩退大約202 m，河寬增加，水深減小，使得平灘河槽形態(tài)趨于寬淺(圖10(a)，圖中B0為2009年的平灘河槽寬度，B1為主槽右岸自2009年到2011年的累計(jì)河岸淤積寬度,ΔB為主槽斷面左岸自2009年到2011年的累計(jì)河岸崩退寬度)，并可見ΔB的變化可反映水沙條件對(duì)河床形態(tài)調(diào)整的影響。比較沖刷強(qiáng)度的大小，可以預(yù)測(cè)在2012—2013年此斷面仍然處于持續(xù)沖刷狀態(tài)，河床形態(tài)調(diào)整進(jìn)一步加劇。

圖10 典型斷面平灘河槽形態(tài)變化

各河段2005—2013年平均汛期水量沿程變化情況有所不同，水量沿程變幅較大，流經(jīng)阿拉爾站的汛期水量為37.073億m3，流經(jīng)恰拉站的水量只有4.753億m3，水量流失原因主要是河道損失和灌溉引水；其中，河道損失水量占66.6%，而灌溉引水只占33.4%。由此可知，河道大部分損失的水量顯著地改變了河床形態(tài)，期間各個(gè)河段汛期水量沿程損失程度不同，游蕩型河段、過渡段及彎曲型河段水量損失分別為7.420億m3、8.886億m3及16.034億m3，單位河長(zhǎng)的水量損失分別為：游蕩型河段0.039億m3/km、過渡段0.034億m3/km、彎曲型河段0.040億m3/km，彎曲段沿程損失水量較大，水流沖刷強(qiáng)度減弱也較為明顯。結(jié)合表2分析可知，2005—2009年彎曲型河段相比游蕩型河段汛期水量及沙量都有所減?。?010—2013年平均汛期水量是2005—2009的2.5倍，且2010年的水流沖刷強(qiáng)度迅速增大到2009年的22倍。同樣由于水流沖刷強(qiáng)度增大，河槽形態(tài)發(fā)生一定程度的調(diào)整，如位于亞森卡得引水口上游2 km附近的主槽斷面自2009—2011年主槽右岸寬度累計(jì)縮窄約46 m，左岸崩退近42 m，深泓處大約沖深0.43 m(圖10(b))。

以往的研究結(jié)果表明平灘河槽形態(tài)調(diào)整與綜合水沙條件有較好的相關(guān)性，且二者之間存在冪函數(shù)關(guān)系[30]。建立5個(gè)典型斷面的平灘河槽形態(tài)參數(shù)與汛期水流沖刷強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系如表3所示。

表3 不同水文斷面的河槽形態(tài)參數(shù)

由表3可知，除恰拉水文斷面的平灘河寬與汛期水流沖刷強(qiáng)度的相關(guān)性較弱，其余各斷面的平灘河寬、平灘水深均與水流沖刷強(qiáng)度有較高的相關(guān)程度，能較好地響應(yīng)水沙條件變化。分析其原因，由于彎曲型河段下游河道水量沿程損失比較嚴(yán)重，為有效解決這個(gè)問題，加強(qiáng)了河道護(hù)岸工程，故當(dāng)來水量增大或減小時(shí)，水深的變化更能代表河床形態(tài)調(diào)整；此外還可看出，各斷面平灘河寬、平灘水深的函數(shù)指數(shù)均大于0，表明平灘河槽形態(tài)參數(shù)與汛期水流沖刷強(qiáng)度呈正相關(guān)。

3 結(jié) 論

a. 2005—2013年塔河中上游河段平灘河槽經(jīng)歷了持續(xù)萎縮及持續(xù)沖刷的過程：2005—2009年各典型斷面的平灘面積減小，減幅在60.5%～97.3%；2010—2013年河槽發(fā)生沖刷，游蕩型河段的平灘河槽形態(tài)以橫向調(diào)整為主，斷面朝寬淺方向發(fā)展，相比游蕩型河段，過渡段河槽形態(tài)調(diào)整幅度有所減小，彎曲型河段河槽形態(tài)主要體現(xiàn)為平灘水深變化，河寬變幅較小，河槽形態(tài)變窄變深；2009—2011年塔河整個(gè)上游河段近期縱比降趨于調(diào)平，中游河段河床略微沖刷。

b. 塔河干流中上游河段河岸土體主要由粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂組成，其中，中游部分河段河岸土體由級(jí)配不良砂組成，土體在近岸水流沖刷下容易分解，抗沖性差，穩(wěn)定性較小，進(jìn)一步加劇了河床形態(tài)調(diào)整。

c. 汛期水流沖刷強(qiáng)度沿程變化比較顯著，位于游蕩型河段的斷面沖淤過程最為劇烈；除彎曲型河段下游護(hù)岸斷面外，其余典型斷面的平灘河寬、平灘水深與汛期水流沖刷強(qiáng)度的相關(guān)程度均較高，且二者之間呈正相關(guān)關(guān)系，故平灘河槽形態(tài)調(diào)整能夠較好地響應(yīng)水沙條件變化。