新疆瑪納斯河推移質運動規(guī)律初步分析

郝 瑞

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學，烏魯木齊830052;2.新疆水利廳瑪納斯河流域管理處，新疆石河子832000)

瑪納斯河位于天山北麓、準噶爾盆地南緣，系山溪性內陸河流，其流程短、水量小。根據(jù)1986～2009年統(tǒng)計資料，瑪納斯河多年平均徑流量為14.1億m3，由于河流主要為天山冰川融雪補給，受氣溫影響很大，加上暴雨影響，水量主要集中在6～9月，4個月水量占到全年總水量的76.6%，僅7、8兩月多年統(tǒng)計其平均水量就占全年總水量的52.3%。，洪水期流量經(jīng)常在100 m3/s以上，而在枯水期卻往往斷流?，敿{斯河多年月均流量分配見圖1。

由于天山山勢陡峻，前山帶為砂礫石所復蓋，加上河道縱坡大，水流集中，沖刷力強，河谷下切深達100～200 m。水流把大量泥砂帶到下游，洪水期含砂量達2.2～5.8 kg/m3，其中對渠首工程危害性最大的推移質占年總砂量的12%～15%，粒徑為0.5～30 cm。

本文所采用的數(shù)據(jù)為瑪納斯河出山口紅山嘴引水樞紐前的實測數(shù)據(jù)，反映了瑪納斯河山區(qū)泥沙自然轉化達到平衡狀態(tài)時輸出的泥沙數(shù)據(jù)。

圖1 瑪納斯河1986～2009年月均流量示意圖

1 推移質測驗情況

在瑪納斯河出山口紅山嘴引水樞紐前設立斷面，兩岸底寬相距40 m，在測驗中自距凹岸堤內肩7 m向對岸每隔3 m布置1根測驗垂線，測驗使用MB－2型卵石推移質采樣器，其

采樣器采樣效率系數(shù)表達式如下:

式中:η為采樣效率系數(shù);W為次采取沙樣重量;Wmax為采樣器最大采樣重量，470 kg;V為測點流速。

計算出采樣效率后套入公式計算單寬輸沙率，其計算公式如下:

式中:qbi為單寬輸沙率;ΣW為采取沙樣重量;η為采樣效率系數(shù);ti為第i條垂線的取樣總歷時;bk為采樣器口門寬。

自1986開展測驗至今，共計24 a實測資料，最大粒徑為497 mm，斷面最大平均粒徑為57.1 mm，7、8兩月多年平均斷面粒徑為31 mm，其多年泥沙特征統(tǒng)計見表1。

2 資料分析

采用推移質與水力因素關系曲線法進行資料的整理計算。

1)點繪實測斷面推移質輸沙率與相應斷面平均流速關系圖，通過點群中心定出關系曲線，見圖2。

圖2 1986～2009年閘前2號斷面推移質輸沙率與平均流速關系曲線

2)求出關系線的方程式

式中:Qb為推移質斷面輸沙率，kg/s;V為斷面平均流速，m/s; a、n為系數(shù)、指數(shù)。

經(jīng)計算:當V＜1.2 m/s時，Qb=0。

當V＜1.6 m/s時，Qb=3.22×10－6V33.28

當V＞1.6 m/s時，Qb=1.548V5.444

3)以流量為縱坐標，斷面平均流速為橫坐標點繪關系圖，通過點群中心定出關系曲線，見圖3。

圖3 1986～2009年閘前2號斷面流量與斷面平均流速關系

4)先以逐日平均流量查得平均流速，在據(jù)以查得日平均推移質輸沙率。

3 瑪納斯河推移質情況

根據(jù)以上方式計算多年推移質特征值，見表1。

表1 1986～2009年瑪納斯河推移質特征值統(tǒng)計

4 運動特性分析

推移質的運動特點是由砂石運動和水力條件共同決定，其輸沙率與流速的高次方成比例，因而對流速的改變非常敏感，據(jù)現(xiàn)有的瑪納斯河實測資料分析可得出在現(xiàn)有的河流斷面處，其已形成的不同粒徑組合下的推移質與流速有如下關系:

當V＜1.2 m/s時，基本沒有推移質的產(chǎn)生，即認為在此斷面推移質的啟動流速為1.2 m/s;

當1.2 m/s＜V＜1.6 m/s時，有推移質產(chǎn)生，但推移質輸沙率較低，變化平穩(wěn);

當V＞1.6 m/s時，推移質大量產(chǎn)生，隨流速的變化，其輸沙率變化較大。

瑪納斯河推移質運動集中在7、8兩月，7、8兩月是水量最集中、流速最大的時期，其中又以7月水量最大、流速最快，多年平均瑪納斯河推移質在7月產(chǎn)生的量約為全年的78%，8月推移質產(chǎn)生量約為全年21%，6月為1%，其余月份基本沒有推移質產(chǎn)生。

圖4 1986～2009年徑流量與輸沙量關系

瑪納斯河的輸沙是泥沙可獲得性(受來沙條件和床面結構制約)和水流挾沙能力(受水流條件制約)共同影響的結果。

繪制輸沙量和徑流量圖從圖4可看出，在1986～2009年共計24 a的時間里，輸沙量沒有呈上升趨勢，而是與徑流量呈現(xiàn)一定的相關性，對于瑪納斯河來說，典型的山區(qū)河流，高山融雪為主要的水量來源，7、8兩月的洪水水量高峰值，亦是沙量的最高值，而形成推移質的沙源條件(來沙量、強度、級配)并不主要受河床影響，而是由7、8月山區(qū)暴雨、洪水誘發(fā)的岸坡侵蝕、崩塌、滑坡甚至泥石流等因素使上游來沙量多，使得河道輸沙量大，系“來沙限制型”河道，其洪水期水量大，具備了較強的水流挾沙能力。

5 結語

瑪納斯河具備典型的山溪性河流特點，水量分布不均，汛期水量大、流速快，相應推移質產(chǎn)生的量大，而其余時期推移質的產(chǎn)生則接近為零，本文計算、分析、總結了瑪納斯河多年推移質輸沙量與流速、流量的關系，根據(jù)實測資料的多年分析可證實瑪納斯河的推移質是可獲得性和水流挾沙能力共同影響的結果。作為水利工作者，我們在研究量化一種水利數(shù)據(jù)的同時，也在思考如何改變其不好的水力狀態(tài)和如何將其變害為利，希望本文能給有意于此的研究人員技術支持。

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