霍拉溝泥沙特性及河道演變分析

薛 剛

1 概況

發(fā)源于巴州霍拉山北坡的霍拉溝，位于新疆焉耆縣城西約50 km處，是一條以降雨為主雨雪混合補(bǔ)給為輔的山溪性河流。從河源至出山口河長(zhǎng)73.7 km，河流出山口以上集水面積達(dá)417 km2。年平均降水量為111.1 mm，主要集中在夏季，6～8月降水量占年降水量的69.8%。經(jīng)過50余年的開發(fā)治理，霍拉溝的水資源開發(fā)及水利建設(shè)有了較大發(fā)展，但霍拉溝春洪、夏洪及冬閑水無(wú)法利用。為此，規(guī)劃建設(shè)具有農(nóng)業(yè)灌溉、防洪、生態(tài)供水綜合效益的霍拉溝防洪工程。因此，需對(duì)溝道泥沙及防洪工程處不同頻率的洪水進(jìn)行分析。

2 參證站泥沙特性分析

在降雨、水流、風(fēng)和冰凍的侵蝕和推移作用下，將流域表面風(fēng)化層上的巖石和土壤帶入河流，便形成了河流泥沙。影響河流泥沙的主要因素是氣候因素和下墊面因素。氣候因素主要為流域的氣溫、降水、風(fēng)力等，暴雨和風(fēng)力是產(chǎn)生土壤侵蝕的動(dòng)力。下墊面因素主要有土壤結(jié)構(gòu)、植被、坡度等。河流泥沙是河流水文要素之一，它反映了河流水體的物理特性，直接關(guān)系到水利工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行管理，同時(shí)也是反映流域水土流失程度的重要指標(biāo)。

2.1 基本資料

清水河克爾古提水文站于1963年6月開始進(jìn)行河道泥沙的觀測(cè)，從1964～2013年期間共有40年實(shí)測(cè)資料。其中1966年、1967年和1970年部分月份缺測(cè)，由于冬季水量小且比較穩(wěn)定1993年11月份后該站改為汛期觀測(cè)站，每年5～11月進(jìn)行河道水量、泥沙、水質(zhì)等項(xiàng)目的觀測(cè)，每年1～4月和12月停測(cè)。本次采用克爾古提1981～2013年33年的實(shí)測(cè)資料來分析計(jì)算懸移質(zhì)泥沙特征。為較準(zhǔn)確反映泥沙變化特征，需對(duì)清水河克爾古提水文站1993年和1994～2013年停測(cè)月份的懸移質(zhì)泥沙資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。

采用歷年1～11月輸沙量與歷年年輸沙量相關(guān)，見圖1。

圖1 克爾古提水文站歷年1～11月輸沙量與年輸沙量相關(guān)圖其相關(guān)方程為：W=1.0012W1～11 月 （1）相關(guān)系數(shù)：R=1

式中，W 為年輸沙量；W1～11月為 1～11 月時(shí)段輸沙量。

根據(jù)（1）式求得1993年年輸沙量，然后用年輸沙量減去1～11月份輸沙量，求得12月份輸沙量。

克爾古提站1994～2013年懸移質(zhì)泥沙資料的插補(bǔ)延長(zhǎng)

采用歷年5～11月輸沙量與歷年年輸沙量相關(guān)，見圖2。

其相關(guān)方程為：

相關(guān)系數(shù)：R=0.9999

式中，W 為年輸沙量；W5～11月為 5～11 月時(shí)段輸沙量。

根據(jù)（2）式求得1994～2013年年輸沙量，然后用各年輸沙量減去各年5～11月輸沙量，求得1～4月份和12月份合計(jì)輸沙量，再用多年平均歷年1～4月份和12月份輸沙量占1～4月份和12月份合計(jì)輸沙量百分比計(jì)算出1994～2013年各年1～4月份和12月份各月輸沙量。

圖2 克爾古提水文站歷年5～11月輸沙量與年輸沙量相關(guān)圖

2.2 懸移質(zhì)泥沙的年際、年內(nèi)變化

用清水河克爾古提水文站1981～2013年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)泥沙資料，分析說明清水河的懸移質(zhì)泥沙的年際年內(nèi)變化特征。

2.2.1 懸移質(zhì)含沙量的變化特征

河流含沙量受氣候干旱程度、暴雨洪水強(qiáng)度和植被及地質(zhì)條件影響最大。由于低山丘陵區(qū)植被和地質(zhì)條件較差，暴雨洪水集中、流速大，水流挾沙能力加強(qiáng)，使得河流含沙量劇增。從參證站懸移質(zhì)含沙量統(tǒng)計(jì)表中可以看到，克爾古提水文站多年平均含沙量為1.586 kg/m3，歷年最大實(shí)測(cè)含沙量554 kg/m3（出現(xiàn)日期：2011年6月18日）。

2.2.2 懸移質(zhì)輸沙量的變化特征

高山區(qū)、中山和淺山區(qū)，因?yàn)楹樗畞碓床煌?。夏季地表土壤結(jié)構(gòu)松散，在雨洪的作用下河道懸移質(zhì)輸沙量劇增。冬季流域表面因積雪覆蓋，輸沙產(chǎn)沙停止。經(jīng)比對(duì)，參證站克爾古提水文站1981～2013年多年平均年徑流量為1.361×108m3，多年平均年輸沙量為21.58×104t，多年平均輸沙模數(shù)212.4 t/km2，歷年懸移質(zhì)輸沙量系列中，最大年是最小年的427倍。

2.2.3 懸移質(zhì)輸沙量的年內(nèi)分配

清水河流域懸移質(zhì)泥沙年內(nèi)分配極不均勻，夏季大量冰雪融水和局部暴雨洪水?dāng)y帶大量泥沙進(jìn)入河道，使得夏季輸沙量高度集中。克爾古提水文站連續(xù)最大四個(gè)月輸沙量出現(xiàn)在夏季6～9月，其輸沙量占年輸沙量的99.76%以上，最大月輸沙量基本出現(xiàn)在7月份，占年輸沙量的60.4%。最大年連續(xù)最大四個(gè)月輸沙量占年99.78%，出現(xiàn)在2000年的6～9月。

2.2.4 輸沙量、含沙量的年際變化

清水河流域懸移質(zhì)輸沙量、含沙量的年際變化都較大，年最大119.5×104t（2000年）與年最小0.28×104t（1985年）懸移質(zhì)輸沙量比值為427倍，年平均最大5.748 kg/m3（2000年）與年平均最小0.051 kg/m3（1985年）含沙量比值為113倍。

3 工程處多年平均輸沙量計(jì)算

3.1 懸移質(zhì)輸沙量

霍拉溝河流域無(wú)泥沙實(shí)測(cè)資料，在估算輸沙量時(shí)，采用清水河流域克爾古提水文站多年平均懸移質(zhì)泥沙資料推算。因霍拉溝和清水河流域的氣溫、風(fēng)力等主要?dú)夂蛞蛩嘏c土壤結(jié)構(gòu)、植被、河道坡度等主要下墊面因素基本相同。直接移用克爾古提水文站的多年平均輸沙模數(shù)（Ms克=212.4 t/km2），作為霍拉溝擬建水庫(kù)處的多年平均輸沙模數(shù)，將克爾古提水文站的選用參數(shù)代入公式（3）：

式中：Ws霍為霍拉溝擬建水庫(kù)處多年平均懸移質(zhì)輸沙量（t）；F霍為霍拉溝擬建水庫(kù)處集水面積（km2）；Ms克為克爾古提水文站多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)（t/km2）。

推算得擬建水庫(kù)處多年平均懸移質(zhì)年輸沙量為8.857×104T。

3.2 推移質(zhì)輸沙量的估算

根據(jù)水利電力出版社《水文分析與計(jì)算》書中推移質(zhì)常用的估算方法。

系數(shù)法：β代表推移質(zhì)輸沙量S與懸移質(zhì)輸沙量R之比，即

在一般情況下β采用下列數(shù)值：平原區(qū)河流，β=0.01～0.05；丘陵區(qū)河流，β=0.05～0.15；山區(qū)河流，β=0.15～0.30。

由于霍拉溝流域匯流坡降與河道坡降較大，流域匯流時(shí)沖刷能力強(qiáng)，河道水流速度大，水動(dòng)力條件充沛；流域地處戈壁荒漠地帶，氣候干熱、風(fēng)沙天氣較多，表層巖石及土壤破碎等。在氣候、自然地理狀況、水動(dòng)力條件等因素的作用下，造成霍拉溝流域洪水時(shí)水流含沙量高。河床質(zhì)多由小顆粒砂石組成，顆粒級(jí)配及不均勻。相比之下霍拉溝產(chǎn)生推移質(zhì)泥沙的條件比較充沛。根據(jù)洪水調(diào)查時(shí)實(shí)地踏勘，擬建水庫(kù)處的沖淤變化明顯。因此，霍拉溝擬建水庫(kù)處推移質(zhì)輸沙量S與懸移質(zhì)輸沙量R之比β，選用一般情況下山區(qū)河流的取值范圍0.20為宜。

水文比擬法計(jì)算的多年平均懸移質(zhì)輸沙量8.857×104t，多年平均推移質(zhì)輸沙量為1.771×104t。霍拉溝擬建防洪工程處輸沙總量為 10.628×104t。

4 洪水對(duì)河道影響分析

4.1 洪水成因及挾沙特性

霍拉溝洪水從成因和發(fā)生時(shí)間上可以分為暴雨洪水和降雨、融雪混合型洪水。暴雨型洪水一般多出現(xiàn)在7～8月，有時(shí)也出現(xiàn)在6月、9月，洪水過程單一，洪峰過程陡漲陡落，總歷時(shí)較融雪型洪水為短，具有挾沙量大的特點(diǎn)。雨加雪混合型洪水多出現(xiàn)在春夏汛之交及夏汛。其特征為洪峰高度一般比單純的暴雨洪水相對(duì)要高，對(duì)坡地的侵蝕作用強(qiáng)，含沙量大，更具危害性。

4． 2 工程處設(shè)計(jì)洪水分析

霍拉溝洪水資料貧乏，給設(shè)計(jì)洪水計(jì)算帶來了一定的困難，本次采用三種方法對(duì)霍拉溝水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行分析計(jì)算，用以進(jìn)行對(duì)比分析和相互驗(yàn)證。

洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法，將相鄰流域的洪峰流量參數(shù)綜合在一起作地區(qū)綜合分析，本次所搜集到的1997年洪水是該河自1981～2014年以來發(fā)生的排第一位的洪水，1987年洪水是該河自1981～2014年以來發(fā)生的排第二位的洪水，因霍拉溝幾次發(fā)生洪水時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)都有工作人員，被訪問人對(duì)洪水情況記憶清楚，調(diào)查計(jì)算方法符合水文規(guī)范要求，調(diào)查洪水重現(xiàn)期考證比較合理，洪峰流量值較可靠，所以推薦使用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量成果。當(dāng)洪水超過20年一遇時(shí)，挾沙能力加強(qiáng)，對(duì)河道變化影響較大。見表1。

表1 霍拉溝水庫(kù)壩址不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量 單位：m3/s

迪那河面積比指數(shù)法推求的設(shè)計(jì)洪峰流量比洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法推求的設(shè)計(jì)洪峰流量偏大，黃水溝、克爾古提水文站面積比指數(shù)法推求的設(shè)計(jì)洪峰流量比洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法推求的設(shè)計(jì)洪峰流量偏小，主要由于迪那河、黃水溝和克爾古提水文站集水面積與霍拉溝水庫(kù)壩址以上集水面積差異較大所致，所以面積比指數(shù)法推求的設(shè)計(jì)洪峰流量成果可作對(duì)比分析及參考用。

由于霍拉溝出山口沒有降水量資料，設(shè)計(jì)暴雨推理公式法只能使用大山口水文站的降水資料，但大山口站與霍拉溝山口之間，受距離、高程等因素的影響，降水還是有一定的差距，同時(shí)公式中涉及到多個(gè)未確定的參數(shù)，所選用參數(shù)沒有實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證，任意性較大，計(jì)算成果存在一定的誤差，因此推求成果僅供參考。

4.3 洪水對(duì)河道影響分析

造成河道改道、河床沖淤變化的主要原因是洪水對(duì)河床的沖刷和洪水中泥沙的淤積，雖然霍拉溝擬建防洪工程處的集水面積和年際年徑流量與清水河克爾古提水文站相差較大，但降水形成洪峰流量的大小相近，流域植被和地質(zhì)條件相同。夏季水量集中，洪水水流挾沙能力強(qiáng)，汛期是河道中主要產(chǎn)沙期。根據(jù)霍拉溝不同年代洪水調(diào)查資料，和各次洪水調(diào)查時(shí)河段實(shí)地踏勘情況記錄，以及河段河床歷史演變情況的對(duì)比分析，霍拉溝一年中汛期洪水中的泥沙占全年的99%以上。由于霍拉溝流域匯流坡降與河道坡降較大，流域匯流時(shí)沖刷能力強(qiáng)，水動(dòng)力條件充沛。根據(jù)洪水調(diào)查時(shí)實(shí)地踏勘，霍拉溝出山口處的沖刷明顯，到防洪工程處時(shí)，河道寬廣，水流分散，水流挾沙能力逐漸減小，洪水中的懸移質(zhì)泥沙逐漸沉積，河道輸沙量逐漸減小。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過分析討論，霍拉溝河道變化主要受洪水影響，經(jīng)過三種方法洪水計(jì)算，洪峰流量計(jì)算的洪水最為準(zhǔn)確，當(dāng)洪水超過20年一遇時(shí)，挾沙能力加強(qiáng)。經(jīng)過實(shí)地踏勘及洪水綜合分析，霍拉溝出山口處的沖刷明顯，到防洪工程處時(shí)，河道寬廣，水流挾沙能力減小，洪水中的懸移質(zhì)泥沙逐漸沉積，河道輸沙量逐漸減小，所以工程可以順利進(jìn)行建設(shè)。