木扎提河懸移質(zhì)泥沙特性及輸沙量探析

周海龍

（阿克蘇水文勘測局，新疆 阿克蘇 843000）

0 引言

天然河流在徑流形成和運行過程中，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、灌溉及水利建設帶來不同程度的影響。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6769 m，最低點1160 m，河流全長242 km，年徑流量14.41×108m3，末端最終流入克孜爾水庫。分析研究木扎提河流泥沙特征對整個流域水資源開發(fā)利用、防洪工程建設和社會生產(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，是克孜爾水庫入庫洪水水情信息站，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)泥沙項目觀測從1987年開始至今，有完整的30年（1987年～2017年）資料系列長度。由于木扎提河托克遜站沒有推移質(zhì)泥沙監(jiān)測項目，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。

通過對木扎提河托克遜站1987年～2008年懸移質(zhì)輸沙量不同系列長度均值及CV距法估計值和相對偏差比較，當系列長度達到18年時，懸移質(zhì)年輸沙量均值相對誤差小于±2.0%。當系列長度達到21年時，懸移質(zhì)年輸沙量CV值趨近0.99，CV值相對誤差小于±3.0%，懸移質(zhì)年輸沙量均值趨近912×104t。通過繪制托克遜水文站模比系數(shù)差積曲線圖可知，自1987年以來輸沙量系列包含了豐、平、枯三個變化過程。1989年～2001年的懸移質(zhì)年輸沙量在均值之下，為一個較長時期枯水年群；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，進行泥沙分析。

2 懸移質(zhì)泥沙時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、盛行北風，其中最大風速24 m/s，年平均風速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測系列年含沙量在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。加之夏季大風較多，并伴有沙塵。當發(fā)生暴雨洪水時，水流集中，流速大，水流挾沙能力加強，使得河流含沙量因流域氣候的干旱程度及暴雨洪水強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，實測最大含沙量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，地表土壤結構變得松散，在季節(jié)性積雪消融和夏季雨洪的推動下，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水量關系密切，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)計木扎提河托克遜水文站懸移質(zhì)多年平均輸沙量見表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，歷年實測日最大懸移質(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)計木扎提河托克遜水文站30年的實測懸移質(zhì)泥沙資料，可知：連續(xù)最大四個月輸沙量集中在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)象對流域內(nèi)的水利工程設施運行,灌區(qū)水資源的合理配置利用造成嚴重影響。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)集中程度也遠遠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給形式有密切的關系，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。2002年“7·23”木扎提河托克遜水文站發(fā)生了有歷史實測資料以來的最大洪水，7月21日～28日場次洪水總入庫輸沙量4268.7×104t，場次洪水輸沙量是歷年7月總輸沙量的10.4倍，占當年7月總輸沙量的99%，占當年6月～8月總輸沙量的70%，這場洪水帶來的泥沙增加了克孜爾水庫泥沙的淤積量。

從木扎提河托克遜水文站水沙對應關系圖（圖1）中看出：豐水年基本對應豐沙年，水、沙年變化過程相對應，沙量與水量的增減關系密切，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程線圖

木扎提河輸沙量的大小與河流補給形式也有密切的關系，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。其大小主要由河流徑流量的大小、暴雨強度、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烈剝蝕作用下，大量的冰川融水攜帶了高山區(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)測資料，其30年的輸沙模數(shù)均值達1588 t/km2，是渭干河流域河流中輸沙模數(shù)最大的河流。這也足以說明木扎提河含沙量大，應引起重視。

3.5 推移質(zhì)泥沙估算

由于木扎提河托克遜站沒有推移質(zhì)泥沙資料，該站推移質(zhì)泥沙采用有關經(jīng)驗公式估算。計算公式如下：

式中：Wt為推移質(zhì)輸沙量，萬t；Wx為懸移質(zhì)輸沙量，萬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)木扎提河的實際情況，本次計算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)計表 單位：104 t

4 結語

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、降雨強度、河流徑流特性及人類活動影響。木扎提河是渭干河最大的支流，其年輸沙量也最大。本文通過對木扎提河懸移質(zhì)泥沙的時空變化分析可看出：木扎提河輸沙量的年內(nèi)集中程度也遠遠大于徑流量的集中程度，輸沙量最大年份連續(xù)最大四個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中，要充分考慮泥沙帶來的影響。