頭道溝流域水文水資源

張洪燕

(新疆哈密水文水資源勘測局，新疆哈密839000)

1 概況

頭道溝流域位于天山山脈最東端喀爾里克山的南坡，新疆哈密盆地以北，西與南山口流域為鄰，東與故鄉(xiāng)河流域相接。全流域在新疆哈密市境內(nèi)。全流域唯一水文站，即頭道溝水文控制站。水文站以上控制面積308 km2，河長41.5 km，流域最高峰3 057 m，流域平均高程2 445 m，平均坡降35.5‰，該水文站也是哈密地區(qū)唯一一個沒有永久冰川消融水補(bǔ)給的水文觀測站。

頭道溝是新疆哈密地區(qū)眾多沒有冰川消融水補(bǔ)給河流中年徑流量最大的河流，研究、分析該流域的水文特性對其它流域具有普遍的意義。頭道溝水文站始建于1955年6月，一直連續(xù)觀測至今，多年平均徑流量2616×104m3(還原后水量)，最大年年徑流量5170×104m3(1993年)，最少年年徑流量1276×104m3(1978年)，變差4.1倍，水文站控制斷面以下4 km是哈密地區(qū)最大的水庫—石城子水庫。頭道溝流域的水文特性見表1。

表1 頭道溝流域水文特性表

頭道溝流域內(nèi)的山體主要由華力西期花崗巖和石灰?guī)r組成，土壤主要由高山、亞高山草甸土、山地栗鈣土和石灰?guī)r風(fēng)化土組成［1］。流域的中高山區(qū)，峻嶺縱橫，巖石裸露，多懸崖峭壁，少植物;中低山區(qū)在比較陰濕的地方生長著疏密不等的西伯利亞落葉松和天山云杉，沿河灘有少量天然胡楊樹，還有耐寒耐旱的冰草、芨芨草、駱駝刺等。總體講，區(qū)域內(nèi)大多為光禿山地。因受寒冷和大風(fēng)的影響，山體受剝蝕作用和風(fēng)蝕作用十分明顯。

2 氣候

2.1 四季特性

頭道溝流域內(nèi)氣候的四季不是很明顯［2］，春季多大風(fēng)，特別是多寒潮降溫型大風(fēng)，風(fēng)向以東北風(fēng)為主。在狹管效應(yīng)的影響下，水庫壩址處風(fēng)更多，風(fēng)力更大，壩址附近風(fēng)蝕地形隨處可見，每年刮大風(fēng)(≥17.2 m/s)多在40 d以上，空氣干燥，蒸發(fā)量大，易發(fā)生倒春寒;夏天天氣多晴朗，日照長，太陽輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，降水相對較多，蒸發(fā)也大;秋天的氣候涼爽，日照充足;冬天，全流域在蒙古高壓的控制下，空氣干燥寒冷，寒冷天氣歷時長，降水量少，當(dāng)年11月—次年3月區(qū)域內(nèi)的土壤基本全部凍結(jié);時間上講區(qū)域內(nèi)春、秋季歷時較短，冬天歷時最長。

受流域地形高差的影響，造成高、中、低地帶氣溫的巨大差異，氣溫隨地形升高而遞減，即使在炎熱的夏天，高山帶白雪皚皚，中山帶涼氣襲人，低山區(qū)氣候炎熱。7月最熱，1月最冷。頭道溝水文站7月的月平均氣溫21.3℃，極端最高氣溫35.6℃;1月月平均氣溫 －14.4℃，極端最低氣溫 －32.0℃，年平均氣溫4.7℃。

2.2 降水和蒸發(fā)

據(jù)頭道溝流域出山口頭道溝水文站氣象觀測資料統(tǒng)計分析，其降水量主要集中在夏季的6—8月份，占年降水量的75.2%。每年的10月—次年的3月降水多以降雪的形式出現(xiàn)，隨著時間的延續(xù)，這些固體降水中的絕大部分被蒸發(fā)或消融下滲，降水量由西北向東南遞減，由高山區(qū)向盆地減少。高山區(qū)最大年降水量可達(dá)300～400 mm。

流域內(nèi)的蒸發(fā)量特性與降水量特性相反，蒸發(fā)量隨高程升高而降低。頭道溝水文站多年平均降水量110.5 mm，最多年降水量206.1 mm(2007年)，最小年降水量53.2 mm(1974年)，變差3.9倍;多年平均蒸發(fā)量1465.8 mm(E601觀測值)，最多年蒸發(fā)量2177.5 mm(1982年)，最小年蒸發(fā)量1122.4 mm(2003年)，變差1.9倍。頭道溝水文站多年平均降水量和蒸發(fā)量年內(nèi)分配見表2。

表2 頭道溝水文站多年平均降水量、蒸發(fā)量年內(nèi)分配表

3 徑流

3.1 年徑流量

頭道溝流域的徑流量主要靠山區(qū)裂隙水和直接降雨［3］，流域的豐枯取決于區(qū)域內(nèi)的溫度和降水。因山體低矮高山區(qū)沒有永久冰川，故中、高山區(qū)在冬、春季節(jié)有一定積雪，但這些積雪在每年的4—5月份基本全部消融，因而每年都發(fā)生大小不等的春洪，造成每年該時期的徑流量占年徑流量的47.8%，該流域夏天(6—8月份)降水量占年降水量的75.2%，但這些降水量絕大部分被蒸發(fā)、下滲，只有發(fā)生高強(qiáng)度暴雨時，來不及下滲的降水徑流形成暴雨洪水，故夏天發(fā)生夏洪的機(jī)率相對較少，夏天洪峰流量的大小取決于流域內(nèi)降水量的強(qiáng)度，由于該流域坡降大、植被差，所以一旦發(fā)生大范圍、高強(qiáng)度暴雨，極易產(chǎn)生峰高量少、含沙量大的洪水;每年9—次年3月份的徑流量相對穩(wěn)定。根據(jù)1956—2007年連續(xù)實測52 a的樣本系列頻率分析(見表3)可知，頭道溝流域多年平均年徑流量2348×104m3，由于上游開發(fā)草場和耕地經(jīng)計算消耗268×104m3，故經(jīng)還原后該流域原始平均年徑流量2620×104m3，變差系數(shù)Cv為0.40，偏差系數(shù)Cs為1.20 (3Cv)=0.40，最大年徑流量5170×104m3(1993年)，最小年徑流量1276×104m3(1978年)，變差4.1倍。

3.2 年內(nèi)分配

頭道溝流域的年徑流量在年內(nèi)變化很大，全年的徑流量主要集中在汛期的4—6月份，占年徑流量的57.9%，其中5月份的徑流量占年徑流量的30.4%，夏天徑流調(diào)節(jié)是本流域的主要特性，頭道溝流域年徑流量年內(nèi)分配見表4。

表3 頭道溝流域設(shè)計年徑流量頻率分析計算成果表

表4 頭道溝流域年徑流量年內(nèi)分配表

4 洪水

頭道溝流域的洪水從時間上分為春洪和夏洪［3］。從類型上分為:暴雨型洪水、融雪型洪水2種。

4.1 暴雨型洪水

暴雨型洪水通常發(fā)生在每年的6月下旬—8月中旬，這類洪水往往峰高量小，持續(xù)時間短，水中泥沙含量大。例如2007年7月17日，西西伯利亞、巴爾喀什湖的冷氣流在流域內(nèi)與來自青藏高原的暖氣流相遇，造成局地高強(qiáng)度冷鋒雨，造成頭道溝流域河道內(nèi)洪水猛漲，大水約半小時，但最大洪峰流量達(dá)134 m3/s，為漲水前一天最大流量的16.9倍，是始漲點(diǎn)流量的73倍;洪水中沙峰的懸移質(zhì)泥沙含量為95.9 kg/m3，為漲水前一天最大含沙量的599倍，是始漲時含沙量的738倍，頭道溝水文站典型暴雨洪水過程見圖1。

4.2 融雪型洪水

冰雪型洪水則發(fā)生于每年的4—5月，洪量取決于山區(qū)的氣溫和降水，洪水具有明顯的日周期變化規(guī)律，而且一天比一天高，洪水一般分2～3個過程，每個過程維持一周左右，整個春洪約歷時1個月，但首場洪水的含沙量較大，頭道溝水文站典型融雪型洪水過程見圖2。

4.3 設(shè)計洪水

頭道溝流域設(shè)計洪水采用流域出山口控制斷面頭道溝水文站的實測52 d洪水資料樣本系列，選用該站年最大洪峰流量、年最大1 d、年最大3 d洪量組成系列，進(jìn)行頻率計算，采用P－Ⅲ型曲線適線，統(tǒng)計參數(shù):均值31.1 m3/s，Cv0.96，Cs4.5Cv，計算出頭道溝流域百年一遇洪水157 m3/s，50 a一遇洪水123 m3/s，計算成果見表3。

圖1 頭道溝站2007年7月暴雨洪水過程線

圖2 頭道溝1988年4月融雪洪水過程線

表5 頭道溝流域設(shè)計洪水計算成果表

5 泥沙

頭道溝流域地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，風(fēng)力強(qiáng)勁，日照時間長，太陽輻射總量大，氣溫日差較大，從而為流域地表巖石及礦化物的熱力風(fēng)化提供了條件，另外不同的暴雨及融雪洪水，為可融性巖石的風(fēng)化提供了有利條件，也為河流泥沙的形成提供了動力條件。當(dāng)遇暴雨或積雪消融水時，便攜帶泥沙順著河流而下，成為河道泥沙的主要來源。

頭道溝流域的年最大含沙量與當(dāng)年最大洪峰流量基本上同時出現(xiàn)，由于頭道溝流域?qū)偕较院恿鳎拥榔露噶骷保?dāng)來大洪水時，河流沖蝕挾沙能力很強(qiáng)和特定的洪水成因，使河水相應(yīng)含沙量也較大。山區(qū)不僅是河川徑流量的形成區(qū)，同時也是河流泥沙的產(chǎn)沙區(qū)。因此，頭道溝水文站所測得的徑流和泥沙資料不僅控制了河流年徑流量的最大值，同時也控制了河流泥沙總量的最大值。流域發(fā)生的暴雨洪水，極易攜帶泥沙進(jìn)入河道，致使洪水期河流含沙量特別大。頭道溝水文站多年平均年、月輸沙量統(tǒng)計表6可以看出，頭道溝水文站的多年平均懸移質(zhì)輸沙量為2.15×104t(根據(jù)1986～ 2006年實測)，其中秋、冬季輸沙量較小，特別是冬季徑流為地下水補(bǔ)給時，輸沙量為零;春、夏季輸沙量較高，尤以春季洪水時最高，頭道溝水文站連續(xù)最大4個月輸沙量占年輸沙量的92.6%，說明輸沙量的年內(nèi)變化比徑流量的年內(nèi)變化大得多，輸沙量的年內(nèi)集中程度也遠(yuǎn)大于徑流量的集中程度。河流泥沙的年際變化也大于徑流量的年際變化，頭道溝水文站年徑流量的變差系數(shù)為0.40，年輸沙量的變差系數(shù)為0.95，最大年輸沙量為7.47×104t(1998年)，最小年輸沙量為0.21×104t(1991年)，變差35.6倍。頭道溝流域懸移質(zhì)輸沙量年內(nèi)分配見表7。

表6 頭道溝流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量年內(nèi)分配表

表7 頭道溝流域懸移質(zhì)輸沙量年內(nèi)分配表

頭道溝流域的泥沙除懸移質(zhì)泥沙外［4］，還有推移質(zhì)泥沙。根據(jù)下列公式推算出頭道溝［5］多年推移質(zhì)輸沙量約為0.52×104t。

式中:Wb為多年平均推移質(zhì)輸沙量，104t;Q為多年平均流量，m3/s;J為河床比降;Ms為多年平均懸移質(zhì)輸沙量，104t。

6 水質(zhì)

頭道溝流域的水質(zhì)總體上屬于天然一級無污染的水［5］，其天然水質(zhì)分布狀況和離子徑流量見表5。區(qū)域內(nèi)沒有影響水質(zhì)的工廠和礦山，故沒有工業(yè)污染，有利于水資源的保護(hù)、開發(fā)和利用。

頭道溝流域的水化學(xué)成分具有以下特點(diǎn):①礦化度的大小與河水補(bǔ)給源及區(qū)域內(nèi)下墊面土壤和山體構(gòu)造有關(guān)。其中降雨補(bǔ)給的水中礦化度低，融雪水補(bǔ)給的水中礦化度略高，某些山體土壤可融性鹽多，水中礦化度較高。②礦化度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，汛前水流中礦化度最大，汛后次之，汛期最小。③歷年水質(zhì)變化相對穩(wěn)定，礦化度、總硬度等各項指數(shù)變化不大。④有機(jī)物含量洪水期最大，枯水期最小，特別是高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的含量，其變化比較明顯。⑤河水中無機(jī)毒物含量低，一年中很少檢出。⑥離子徑流量反映了河道中各項離子含量在某個時段內(nèi)的總量。頭道溝流域天然水質(zhì)分布狀況和離子徑流量見表8。

表8 頭道溝流域天然水質(zhì)分布狀況和離子徑流量表

通過上述分析，反映出哈密頭道溝流域是個水資源量極度匱乏、降水少、蒸發(fā)大，洪、澇反復(fù)多現(xiàn)，水資源年內(nèi)分配極不均勻，以旱為主的地方，做好防洪抗旱工作對哈密地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)和諧哈密的意義重大。

［1］新疆哈密市地方志編纂委員會.哈密縣志［M］.烏魯木齊:新疆人民出版社，2005.

［2］駱光曉，等.石城子流域水文特性［J］，水文，2007(5):55－58.

［3］周聿超.新疆河流水文水資源［M］.烏魯木齊:新疆科技衛(wèi)生出版社，1999.

［4］駱光曉，等.榆樹溝流域水文特性［J］，新疆氣象，2002(5):21－22、37.

［5］駱光曉，等.哈密地區(qū)水資源質(zhì)量現(xiàn)狀［J］.水資源研究，2007 (4):20－22.

［6］駱光曉，等.新疆哈密地區(qū)地表水資源量趨勢分析［J］，水文，2007(5):92－95.