烏浪巴依溝泥沙特性及河床演變探析

秦 軍

（新疆巴音郭楞水文勘測(cè)局，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

1 概況

位于和靜縣城東北部的烏浪巴依溝，其洪水主要來(lái)源于和靜縣城北山區(qū)的1～4號(hào)山洪溝，地勢(shì)北高南低。以出山口為界，北為侵蝕、剝蝕低中山區(qū)，南為沖洪積傾斜平原區(qū)。4條溝互相毗鄰，均為季節(jié)性山洪溝。山前沖洪積戈壁傾斜平原主要分布在出山口至黃水溝東支以北地帶，出山口海拔1450 m，沖洪積扇底部緣海拔1100 m，平均坡度為18‰左右。和靜縣屬典型的大陸性氣候，冬冷夏熱，日溫差較大。北部山區(qū)屬高寒半濕潤(rùn)半干旱氣候，只有冷暖半年之分，雨雪較多，高寒風(fēng)大，終年可見(jiàn)霜雪。年平均降水量為64.2 mm，年平均蒸發(fā)量為1110.3 mm。

2 節(jié)點(diǎn)防洪工程分析

為了確保縣城安全，和靜縣計(jì)劃在烏浪巴依溝S305公路交通橋處到解放二渠渡槽擬建防洪工程7.5 km，共分3段，分別為：洪水匯合口以下4.8 km的S305公路交通橋處（樁號(hào)K0+000）、S305公路交通橋以下4.85 km的石林路交通橋處（樁號(hào)K4+850）和石林路交通橋以下2.65 km的解放二渠渡槽處（樁號(hào)K4+850）。為了確保工程順利實(shí)施，需對(duì)河道泥沙特性及河床演變進(jìn)行分析。由于烏浪巴依溝無(wú)水文觀測(cè)站點(diǎn)，所以，以附近清水河的爾古提水文站作為參證站進(jìn)行泥沙特征分析。

3 參證站泥沙特征分析

3.1 采用插補(bǔ)法延長(zhǎng)系列資料

建于1963年6月的克爾古提水文站，現(xiàn)有38年實(shí)測(cè)泥沙資料，其中1966、1967和1970年部分月份缺測(cè)。為準(zhǔn)確反映泥沙變化特征，本次對(duì)清水河克爾古提水文站1993年和1994～2015年停測(cè)月份的懸移質(zhì)泥沙資料進(jìn)行插補(bǔ)。克爾古提站1993年懸移質(zhì)泥沙資料的插補(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(jiàn)圖1。

相關(guān)系數(shù)：R=1，式中：W 為年輸沙量；W1～11月~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。

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

克爾古提站1994～2015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(jiàn)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1994～2015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1994～2012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

3.2 懸移質(zhì)泥沙特征分析

用清水河克爾古提水文站 1981～2015年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)泥沙資料，分析說(shuō)明清水河懸移質(zhì)泥沙年際年內(nèi)變化特征。

3.2.1 含沙量變化特征

河流含沙量因流域氣候的干旱程度和暴雨洪水的強(qiáng)度不同而不同，植被和地質(zhì)條件也是重要的影響因素。由于清水河低山丘陵區(qū)植被和地質(zhì)條件較差，降雨殘留過(guò)程中水土流失嚴(yán)重，形成流域主要產(chǎn)沙區(qū)。暴雨洪水期，水量集中、流速大，水流挾沙能力加強(qiáng)，使得河流含沙量劇增，經(jīng)對(duì)參證站懸移質(zhì)含沙量統(tǒng)計(jì)，克爾古提水文站多年平均含沙量為1.383 kg/m3，歷年最大實(shí)測(cè)含沙量89.5 kg/m3。

3.2.2 輸沙量變化特征

山區(qū)既是徑流形成區(qū)同時(shí)也是泥沙的侵蝕源地。高山區(qū)因以冰川融雪補(bǔ)給為主，徑流量小，其產(chǎn)沙量亦相對(duì)小，中山和淺山區(qū)為降雨補(bǔ)給為主，雨洪集中，致使產(chǎn)沙量也不斷增加。夏季地表土壤結(jié)構(gòu)松散，在季節(jié)性積雪消融和夏季雨洪的推動(dòng)下，大量泥沙注入干流，使河道的懸移質(zhì)輸沙量劇增。冬季流域表面因積雪覆蓋，坡地產(chǎn)沙停止。懸移質(zhì)輸沙量隨河流徑流量、含沙量的變化而變化。經(jīng)對(duì)克爾古提水文站1981～2015年水沙情況統(tǒng)計(jì)，多年平均年徑流量為1.385×108m3，多年平均年輸沙量為 19.77×104t，多年平均輸沙模數(shù)194.6 t/km2，歷年懸移質(zhì)輸沙量系列中，最大年是最小年的427倍。

3.2.3 輸沙量年內(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99.75%以上；最大月輸沙量基本出現(xiàn)在7月份，占年輸沙量的70.5%。

3.2.4 輸沙量、含沙量年際變化

清水河流域懸移質(zhì)輸沙量、含沙量的年際變化都較大，年最大與年最小懸移質(zhì)輸沙量比值分別為427倍，年平均最大與年平均最小含沙量比值分別為113倍。參證站懸移質(zhì)含沙量、輸沙量年際變化見(jiàn)表1。

表1 參證站懸移質(zhì)輸沙量、含沙量年際變化匯總表

4 烏浪巴依溝泥沙特性分析

4.1 出山口多年平均輸沙量計(jì)算

由于和靜縣城烏浪巴依溝洪水源頭北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝支溝出山口處無(wú)實(shí)測(cè)泥沙資料，是間歇性的山洪溝，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。因北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝支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=194.6 t/km2），作為北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝支溝山口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：Wsi為北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝支溝山口處多年平均懸移質(zhì)輸沙量（t）；Fi為北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝支溝山口以上集水面積（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）。

經(jīng)計(jì)算，北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝支溝山口處多年平均懸移質(zhì)年輸沙量見(jiàn)表2。

表2 北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝支溝山口處多年平均懸移質(zhì)輸沙量

4.2 推移質(zhì)輸沙量估算

根據(jù)水利電力出版社《水文分析與計(jì)算》書(shū)中推移質(zhì)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。由于北山 1～4號(hào)溝和4號(hào)溝支溝流域匯流坡降與河道坡降較大（河道坡降為160‰～110‰），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；流域植被差，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，造成北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝流域洪水時(shí)水流含沙量高。河床質(zhì)多由砂石組成（3～20 cm的砂石約占50%），顆粒級(jí)配及不均勻。相比之下北山1～4號(hào)溝和4號(hào)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，北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝山口處的沖淤變化明顯。因此，北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝山口處推移質(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)算的北山1～4號(hào)溝和4號(hào)支溝多年平均懸移質(zhì)輸沙量，由（2）式計(jì)算得多年平均推移質(zhì)輸沙量、輸沙總量見(jiàn)表3。

表3 北山1～4號(hào)溝和4號(hào)支溝山口處多年平均輸沙總量

4.3 流域輸沙量沿程變化

北山1～4號(hào)溝和4號(hào)支溝流域平時(shí)無(wú)水，河道中的泥沙主要來(lái)自于洪水。由于北山1～4號(hào)溝和4號(hào)支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)，在水動(dòng)力條件充沛時(shí)，洪水中的泥沙含量較大。根據(jù)洪水調(diào)查時(shí)實(shí)地踏勘，北山1～4號(hào)溝和4號(hào)支溝出山口處河床質(zhì)多由砂加卵石組成，且出山口處的沖刷明顯。在出山口以下至攔洪導(dǎo)流壩和排洪溝河段，河床質(zhì)多由戈壁砂石組成，工程區(qū)域內(nèi)有四條較大山洪溝的洪水下瀉。目前在各洪溝出山口以下洪水經(jīng)攔洪導(dǎo)流壩攔截，通過(guò)攔洪排洪溝疏導(dǎo)匯集到烏浪巴依溝的深切河道內(nèi)，匯集口以下河段有人工加固修建的臨時(shí)排洪河道，水流較集中，水流挾沙能力較大。

5 烏浪巴依溝河床演變分析

造成烏浪巴依溝河道改道、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，根據(jù)北山1～4號(hào)溝出山口一下不同年代洪水調(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，以及搜集的近期衛(wèi)星圖片，河段河床歷史演變情況的對(duì)比分析分別為：

5.1 北山1～4號(hào)溝出山口至攔洪堤壩和導(dǎo)洪渠河段

根據(jù)洪水調(diào)查資料和實(shí)地踏勘情況來(lái)看，近幾年在人類活動(dòng)的影響下，北山1～4號(hào)溝出山口以下4～8 km的位置處，有人工修建的兩處攔洪導(dǎo)流堤壩，通過(guò)攔洪堤壩和導(dǎo)洪渠，將北山1～4號(hào)溝的洪水疏導(dǎo)匯集到各洪溝出山口以下5～10 km（河道距離）位置處的烏浪巴依溝深切河道內(nèi)，由于各洪溝通過(guò)洪積扇區(qū)域的河道距離較長(zhǎng)，各洪溝大部分的推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙主要淤積在出山口以下的洪積扇區(qū)域，因此在攔洪堤壩和導(dǎo)洪溝內(nèi)無(wú)明顯泥沙淤積現(xiàn)象，導(dǎo)洪溝部分河段有沖刷下切現(xiàn)象。

5.2 烏浪巴依排洪溝河段

根據(jù)洪水調(diào)查資料和實(shí)地踏勘情況，目前，烏浪巴依溝匯集口以下修建的12.30 km排洪河道內(nèi)，沒(méi)有形成明顯的整體下切和淤積河段，只在排洪河道內(nèi)有局部的沖刷或泥沙淤積現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)烏浪巴依溝防洪工程建設(shè)需要，利用臨近的克爾古提水文站作為參證站，采用插補(bǔ)法、水文比擬法，對(duì)北山1～4號(hào)溝和4號(hào)溝支溝山口處的泥沙特性進(jìn)行了計(jì)算分析，從而可知，北山1～4號(hào)溝號(hào)溝出山口至攔洪堤壩和導(dǎo)洪渠河段無(wú)明顯泥沙淤積現(xiàn)象，烏浪巴依排洪溝河段有局部的沖刷或泥沙淤積現(xiàn)象，基本河勢(shì)穩(wěn)定，河床變化不大，可以進(jìn)行工程建設(shè)。