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      金溝河流域泥沙變化及影響因素分析

      2021-05-06 12:25:18
      黑龍江水利科技 2021年3期
      關(guān)鍵詞:金溝渠首輸沙量

      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。

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