金溝河流域泥沙變化及影響因素分析

董 旭

(新疆金溝河流域管理局水利管理中心，新疆 沙灣 832100)

1 流域概況

金溝河流域在新疆自治區(qū)沙灣縣境內(nèi)，流域東邊是寧家河，西邊是八音溝河，南面為天山，北面是瑪納斯河。金溝河流域發(fā)端于依連哈比爾尕山北側(cè)科爾達(dá)拉河源頭的31號(hào)冰川，發(fā)育的河流水網(wǎng)呈樹狀，且屬于典型的冰川融雪補(bǔ)給型河流，地勢(shì)自南向北由高到低，最高海拔5256m，最低僅300m左右。流域總面積2626km2，其中金溝河出山口以上面積為1688km2。從河源至出山口(海拔820m)主河道長(zhǎng)約94km，平均縱坡46‰。流域較大地貌單元主要有南部山區(qū)、中部沖積洪積平原及北部沙漠。海拔3600m以上的高山區(qū)終年積雪，山勢(shì)陡峭，冰川儲(chǔ)量豐富。

2 泥沙來源及特征

金溝河上游植被覆蓋率高，水土保持良好，含沙量相對(duì)低，從整個(gè)山區(qū)來看，海拔3600m以上基本為永久性積雪和冰川所覆蓋，產(chǎn)沙量較少。海拔1700m-3000m地帶植被覆蓋率很高，水土保持較好，產(chǎn)沙量也不大。在山區(qū)部分區(qū)域，覆蓋層缺乏完整性，植被稀疏，如遇汛期，強(qiáng)降雨勢(shì)必將岸坡松散風(fēng)積物裹挾入河道，導(dǎo)致河道泥沙含量暴增，可見，暴雨洪水是導(dǎo)致金溝河流域含沙量高的主要原因。

金溝河紅旗渠站具有1985-2016年共32a懸移質(zhì)泥沙資料，霍爾果斯站具有1960-2018年共54a懸移質(zhì)泥沙資料，下游紅山頭站具有1988-2017年共30a懸移質(zhì)泥沙資料。由于上、下游站資料不同步，選用測(cè)站泥沙資料系列較長(zhǎng)，河流泥沙含量變化與降雨歷時(shí)、雨量大小、下墊面情況有直接關(guān)系，而且還必須考慮測(cè)驗(yàn)手段和精度等問題，根據(jù)《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》(SL278-2002)，當(dāng)泥沙資料序列為20a及以上，可進(jìn)行泥沙特征值的統(tǒng)計(jì)分析[1]。因此本次設(shè)計(jì)不進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)，直接采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算。據(jù)紅山頭站實(shí)測(cè)泥沙資料分析，金溝河泥沙有如下特征：①泥沙年際變化很大。紅山頭站年最大年輸沙量為216.1萬t，發(fā)生于1999年，最小年輸沙量17.7萬t，發(fā)生于1993年，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為68.1萬t。②泥沙年內(nèi)分配較為集中。紅山頭站實(shí)測(cè)20a泥沙資料中，6-8月輸沙量占全年的98.1%，僅7月就占全年的55.4%。這與流域面上覆蓋物干燥松散，水量集中有關(guān)。冬季輸沙量基本為零。③含沙量集中，全年輸沙量主要集中在數(shù)日之內(nèi)。

3 泥沙變化及影響因素分析

文章所研究的金溝河流域泥沙主要為河川徑流懸移質(zhì)泥沙，金溝河流域目前有懸移質(zhì)泥沙資料的測(cè)站共有3個(gè)，即上游的紅旗渠站、中游的霍爾果斯站和下游紅山頭站，以上水文測(cè)站均為省級(jí)重要水文站。各測(cè)站資料系列長(zhǎng)度、實(shí)測(cè)年限及含沙量、輸沙量等情況詳如表1所示。

表1 金溝河流域有懸移質(zhì)泥沙資料的測(cè)站概況

3.1 泥沙含沙量變化

結(jié)合金溝河流域泥沙季節(jié)性變動(dòng)趨勢(shì)，其在夏季泥沙含量最大，其次為春季，具體情況詳見圖1，這2個(gè)季節(jié)的泥沙含量在全年泥沙總含量中約占95%及以上，而且，含沙量在各個(gè)年代均表現(xiàn)為不斷攀升的變動(dòng)趨勢(shì)。流域夏季含沙量從20世紀(jì)60年代的2.02kg/m3上升—21世紀(jì)初期的4.43kg/m3，增幅達(dá)到119.3%；春季含沙量在20世紀(jì)60年代時(shí)為0.5kg/m3，此后的20世紀(jì)70年代開始逐漸上升，升至1.74kg/m3后，在90年代急劇下降，降至21世紀(jì)初期的1.23kg/m3，但比20世紀(jì)60年代仍存在146%的升幅。秋季含沙量上升速度較為緩慢，從20世紀(jì)60年代的0.14kg/m3上升—21世紀(jì)初期的0.42kg/m3，升幅200%，但是絕對(duì)值僅增加了0.28kg/m3。冬季金鉤河流域含沙量絕對(duì)值由20世紀(jì)60年代的0.003kg/m3上升—21世紀(jì)初期的0.005kg/m3，僅增大了0.002 kg/m3，增幅66.67%。

圖1 金溝河流域含沙量變化趨勢(shì)

3.2 泥沙輸移量與侵蝕模數(shù)變化

與金溝河流域含沙量變動(dòng)趨勢(shì)相類似，流域不同年代不同季節(jié)泥沙輸移量也呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，具體見圖2。但是與流域含沙量變動(dòng)趨勢(shì)所不同的是，輸沙量主要集中發(fā)生在夏季，夏季輸沙量在全年輸沙總量中占94%以上，春季、秋季和冬季輸沙量之和在年輸沙總量中的占比不足6%。夏季流域輸沙量從上世紀(jì)60年代的196.1萬t增加至21世紀(jì)初期的498.8萬t，增幅達(dá)154.36%；上世紀(jì)60年代春季、秋季和冬季流域輸沙量分別為6.43萬t、2.81萬t、0.06萬t，21世紀(jì)初期春季、秋季和冬季流域輸沙量分別為12.85萬t、12.32萬t、0.15萬t，增幅分別為99.8%、338%、150%。

圖2 金溝河流域泥沙輸移量變動(dòng)趨勢(shì)

金溝河流域紅山頭站控制流域面積1572.5km2，該水文站以上主要為冰川、農(nóng)田、森林和草地等地貌景觀，其中森林和草地面積837.3km2，農(nóng)田面積692.1km2，冰川面積最小，且冰川所產(chǎn)生的泥沙較小，流域泥沙主要來自森林、草地和農(nóng)田。金溝河流域紅山頭站以上侵蝕區(qū)域侵蝕模數(shù)394.87 km2/a，20世紀(jì)初期，侵蝕區(qū)域侵蝕模數(shù)增大為965.28 km2/a，增幅為144.46%，侵蝕等級(jí)也從輕度侵蝕演變?yōu)橹囟惹治g。

3.3 泥沙變化影響因素分析

3.3.1 綜合分析

金溝河流域?qū)儆趦?nèi)陸河，降水、冰川融雪等的侵蝕均對(duì)流域泥沙含量存在很大影響，該流域自高山區(qū)流向平原區(qū)，地勢(shì)起伏較大，高山區(qū)域內(nèi)主要為冰川融化型水源，含沙量較小；而中低山區(qū)沉積物較多，且遭受降水的沖刷侵蝕較大，含沙量大；下游的平原區(qū)植被缺乏必要的養(yǎng)護(hù)能力，且覆蓋率低，強(qiáng)降雨和暴雨裹挾泥沙沖入河道，導(dǎo)致流域含沙量增大。根據(jù)金溝河流域泥沙變動(dòng)及流域?qū)嶋H來看，引起流域輸沙量增大的原因主要包括以下方面：一是流域上游低山丘陵地區(qū)地質(zhì)表層主要為亞砂土和亞黏土，且植被稀少，持續(xù)暴雨等氣候條件導(dǎo)致水土流失不斷加??；二是流域上游過度的森林砍伐、放牧、采礦等人類活動(dòng)導(dǎo)致區(qū)域原有植被結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，暴露的土層更容易受到暴雨侵蝕，山體滑坡和地面塌陷頻發(fā)。

3.3.2 人類活動(dòng)的影響

從20世紀(jì)60年代開始，金溝河流域的林場(chǎng)大多將采伐視為主業(yè)，在加大林木采伐力度的同時(shí)忽略了植樹造林。相關(guān)資料顯示，從1960年開始到2005年的數(shù)十年間，流域累計(jì)森林砍伐量達(dá)90.4萬m3，僅20世紀(jì)60年代的砍伐量就達(dá)34.1萬m3，20世紀(jì)70年代森林砍伐量降至27.4萬m3，80年代森林砍伐量為14.7萬m3，90年代降至10.1萬m3，20世紀(jì)初期流域森林砍伐量降至4.9萬m3。到2005年國(guó)家相關(guān)部門推出天然林保育封育政策后，流域森林砍伐量降低至零。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，金溝河流域沙灣縣金溝河鄉(xiāng)和沙溪鄉(xiāng)牲畜存欄數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)，從20世紀(jì)60年代的89.78萬標(biāo)準(zhǔn)畜增至21世紀(jì)初期的170.58萬標(biāo)準(zhǔn)畜，牲畜存欄數(shù)增幅達(dá)90%，牲畜存欄規(guī)模的持續(xù)增大給金溝河山區(qū)草地造成巨大壓力，不斷加劇草地退化和土壤侵蝕。包括譚壩鄉(xiāng)在內(nèi)的部分山區(qū)牧場(chǎng)實(shí)際牲畜存欄量已經(jīng)大大超出牧場(chǎng)產(chǎn)草量核定可載標(biāo)準(zhǔn)畜理論規(guī)模，超載現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

3.3.3 引水樞紐的影響

金溝河引水樞紐渠首除一部分由引水渠道引入田間外，大多數(shù)泥沙由溢洪道排入下游河道，在天然情況下，河流泥沙會(huì)隨著水量的損失，較均勻地淤積在下游平原區(qū)沖積性河道內(nèi)。由于引水渠的分流作用，洪水期排入河道的泥沙，因渠首下游河道流量不足，攜沙能力較天然情況下有所下降，致使渠首下游河道產(chǎn)生淤積。引水渠首上游堤壩束窄河道，渠道上游河道將會(huì)演變?yōu)橐鸷拥罒o明顯灘工程場(chǎng)址處巖性為砂卵礫石，顆粒>50mm粒徑含量9.9%，150-80mm的卵石含量為8.43%，80-40mm的粗礫含量為13.8%，40-20mm的中礫含量為16.3%，20-5mm細(xì)礫含量為23.6%，5-2.5mm的極粗砂含量為5.9%，2.5-1.25mm的粗砂粒含量為4.2%，1.25-0.63mm的中砂粒含量為5.8%，0.63-0.315mm的細(xì)砂粒含量為4.5%，0.315-0.16m微細(xì)砂含量2.8%，<0.16mm的細(xì)粒含量為4.8%，根據(jù)河床質(zhì)泥沙的構(gòu)成，可確定渠首上下游的淤積為推移質(zhì)泥沙。

由于原渠首引水比較高，主干排沙設(shè)施不能發(fā)揮，排沙時(shí)間短，沖沙水量不夠，從沖沙閘用排沙道排出的泥沙不能輸送到遠(yuǎn)處的河道下游，大量堆積在輸沙道尾端，造成輸沙道淤積，縱坡變緩，輸沙道淤堵時(shí)有發(fā)生，降低了排沙效果。故新渠首在排沙運(yùn)行方面，應(yīng)增加汛期排沙水量和歷時(shí)。

由于引水渠首對(duì)河流水位的壅水作用，致使引水渠首上游發(fā)生泥沙淤積，閘址上游束窄段高程位于812-815m之間，渠首上游將以泄洪沖沙閘底板高程為淤積基準(zhǔn)面，將會(huì)按原渠首上游河槽淤積平衡比降0.7%向上游進(jìn)行溯源淤積。在新的輸沙條件下，束窄段上游由于流速降低，將會(huì)發(fā)生淤積，同時(shí)由于束窄段河道變窄，流速增大，將形成較明顯的深槽，并形成新的輸沙平衡狀態(tài)[2]。

4 結(jié) 論

金溝河流域?yàn)槎嗄嗌澈恿?，其泥沙主要來自降雨、冰川融雪?duì)流域面的侵蝕及對(duì)水流的沖刷，農(nóng)田、森林和草地等地貌也對(duì)流域泥沙規(guī)模有較大貢獻(xiàn)和影響。文章分析結(jié)果表明，含沙量從河源到出山口隨著流域高程的遞減而逐漸增大，且流域內(nèi)含沙量和輸沙量在年內(nèi)的分布具有明顯的集中性。95%及以上的含沙量集中在夏季和春季，94%以上的輸沙量集中在夏季。水庫工程的建設(shè)及對(duì)流域水的攔蓄作用會(huì)導(dǎo)致泥沙沉積于庫區(qū)，進(jìn)而影響流域泥沙變化，而流域泥沙也會(huì)對(duì)水利工程正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，例如位于流域下游的紅山水庫電站就因夏季泥沙淤積嚴(yán)重并對(duì)水輪機(jī)過流部件造成嚴(yán)重磨蝕，導(dǎo)致機(jī)組始終無法穩(wěn)定運(yùn)行，出力也難以達(dá)到設(shè)計(jì)能力。

為減少平原水庫泥沙淤積，減輕流域泥沙對(duì)水電站設(shè)備的磨蝕損壞及不利影響，確保流域水利工程正常運(yùn)行，金溝河流域管理部門應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)流域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與管理，嚴(yán)禁對(duì)天然林進(jìn)行過度采伐，加強(qiáng)人工造林進(jìn)度，建立長(zhǎng)效的林草資源恢復(fù)保持機(jī)制；同時(shí)，嚴(yán)格限制草地放牧規(guī)模和載畜量，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的飼草料基地，緩解流域山區(qū)草場(chǎng)載畜壓力。