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局，新疆 庫爾勒 841000）

1 概況

位于和靜縣城東北部的烏浪巴依溝，其洪水主要來源于和靜縣城北山區的1～4號山洪溝，地勢北高南低。以出山口為界，北為侵蝕、剝蝕低中山區，南為沖洪積傾斜平原區。4條溝互相毗鄰，均為季節性山洪溝。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。北部山區屬高寒半濕潤半干旱氣候，只有冷暖半年之分，雨雪較多，高寒風大，終年可見霜雪。年平均降水量為64.2 mm，年平均蒸發量為1110.3 mm。

2 節點防洪工程分析

為了確保縣城安全，和靜縣計劃在烏浪巴依溝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K0+000）、S305公路交通橋以下4.85 km的石林路交通橋處（樁號K4+850）和石林路交通橋以下2.65 km的解放二渠渡槽處（樁號K4+850）。為了確保工程順利實施，需對河道泥沙特性及河床演變進行分析。由于烏浪巴依溝無水文觀測站點，所以，以附近清水河的爾古提水文站作為參證站進行泥沙特征分析。

3 參證站泥沙特征分析

3.1 采用插補法延長系列資料

建于1963年6月的克爾古提水文站，現有38年實測泥沙資料，其中1966、1967和1970年部分月份缺測。為準確反映泥沙變化特征，本次對清水河克爾古提水文站1993年和1994～2015年停測月份的懸移質泥沙資料進行插補。克爾古提站1993年懸移質泥沙資料的插補延長，采用歷年1～11月輸沙量與歷年年輸沙量相關，見圖1。

相關系數：R=1，式中：W 為年輸沙量；W1～11月~1～11 月時段輸沙量；根據（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圖

克爾古提站1994～2015年懸移質泥沙資料的插補延長，采用歷年5～11月輸沙量與歷年年輸沙量相關，見圖2。其相關方程為：

相關系數：R=0.9999，式中：W 為年輸沙量；W5～11月為 5～11月時段輸沙量。

根據（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月份合計輸沙量百分比，計算出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圖

3.2 懸移質泥沙特征分析

用清水河克爾古提水文站 1981～2015年實測懸移質泥沙資料，分析說明清水河懸移質泥沙年際年內變化特征。

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度不同而不同，植被和地質條件也是重要的影響因素。由于清水河低山丘陵區植被和地質條件較差，降雨殘留過程中水土流失嚴重，形成流域主要產沙區。暴雨洪水期，水量集中、流速大，水流挾沙能力加強，使得河流含沙量劇增，經對參證站懸移質含沙量統計，克爾古提水文站多年平均含沙量為1.383 kg/m3，歷年最大實測含沙量89.5 kg/m3。

3.2.2 輸沙量變化特征

山區既是徑流形成區同時也是泥沙的侵蝕源地。高山區因以冰川融雪補給為主，徑流量小，其產沙量亦相對小，中山和淺山區為降雨補給為主，雨洪集中，致使產沙量也不斷增加。夏季地表土壤結構松散，在季節性積雪消融和夏季雨洪的推動下，大量泥沙注入干流，使河道的懸移質輸沙量劇增。冬季流域表面因積雪覆蓋，坡地產沙停止。懸移質輸沙量隨河流徑流量、含沙量的變化而變化。經對克爾古提水文站1981～2015年水沙情況統計，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194.6 t/km2，歷年懸移質輸沙量系列中，最大年是最小年的427倍。

3.2.3 輸沙量年內分配

清水河流域懸移質泥沙年內分配極不均勻，夏季大量冰雪融水和局部暴雨洪水攜帶大量泥沙進入河道，使得夏季輸沙量高度集中。克爾古提水文站連續最大四個月輸沙量出現在夏季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

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

表1 參證站懸移質輸沙量、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算

由于和靜縣城烏浪巴依溝洪水源頭北山1～4號溝和4號溝支溝出山口處無實測泥沙資料，是間歇性的山洪溝，在估算輸沙量時，采用清水河流域克爾古提水文站多年平均懸移質泥沙資料推算。因北山1～4號溝和4號溝支溝和清水河流域的氣溫、風力等主要氣候因素與土壤結構、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（Ms克=194.6 t/km2），作為北山1～4號溝和4號溝支溝山口處的多年平均輸沙模數，將克爾古提水文站的選用參數代入公式（3）：

式中：Wsi為北山1～4號溝和4號溝支溝山口處多年平均懸移質輸沙量（t）；Fi為北山1～4號溝和4號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輸沙模數（t/km2）。

經計算，北山1～4號溝和4號溝支溝山口處多年平均懸移質年輸沙量見表2。

表2 北山1～4號溝和4號溝支溝山口處多年平均懸移質輸沙量

4.2 推移質輸沙量估算

根據水利電力出版社《水文分析與計算》書中推移質的估算方法。系數法：β代表推移質輸沙量S與懸移質輸沙量R之比，即：

在一般情況下β采用下列數值：平原區河流，β=0.01～0.05；丘陵區河流，β=0.05～0.15；山區河流，β=0.15～0.30。由于北山 1～4號溝和4號溝支溝流域匯流坡降與河道坡降較大（河道坡降為160‰～110‰），流域匯流時沖刷能力強，河道水流速度大，水動力條件充沛；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、水動力條件等因素的作用下，造成北山1～4號溝和4號溝流域洪水時水流含沙量高。河床質多由砂石組成（3～20 cm的砂石約占50%），顆粒級配及不均勻。相比之下北山1～4號溝和4號溝產生推移質泥沙的條件比較充沛。根據洪水調查時實地踏勘，北山1～4號溝和4號溝山口處的沖淤變化明顯。因此，北山1～4號溝和4號溝山口處推移質輸沙量S與懸移質輸沙量R之比β，選用一般情況下山區河流的取值范圍0.20為宜。

水文比擬法計算的北山1～4號溝和4號支溝多年平均懸移質輸沙量，由（2）式計算得多年平均推移質輸沙量、輸沙總量見表3。

表3 北山1～4號溝和4號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號溝和4號支溝流域平時無水，河道中的泥沙主要來自于洪水。由于北山1～4號溝和4號支溝流域匯流坡降與河道坡降較大，流域匯流時沖刷能力強，在水動力條件充沛時，洪水中的泥沙含量較大。根據洪水調查時實地踏勘，北山1～4號溝和4號支溝出山口處河床質多由砂加卵石組成，且出山口處的沖刷明顯。在出山口以下至攔洪導流壩和排洪溝河段，河床質多由戈壁砂石組成，工程區域內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攔洪導流壩攔截，通過攔洪排洪溝疏導匯集到烏浪巴依溝的深切河道內，匯集口以下河段有人工加固修建的臨時排洪河道，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河床的沖刷和洪水中泥沙的淤積，根據北山1～4號溝出山口一下不同年代洪水調查資料，和各次洪水調查時河段實地踏勘情況記錄，以及搜集的近期衛星圖片，河段河床歷史演變情況的對比分析分別為：

5.1 北山1～4號溝出山口至攔洪堤壩和導洪渠河段

根據洪水調查資料和實地踏勘情況來看，近幾年在人類活動的影響下，北山1～4號溝出山口以下4～8 km的位置處，有人工修建的兩處攔洪導流堤壩，通過攔洪堤壩和導洪渠，將北山1～4號溝的洪水疏導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，由于各洪溝通過洪積扇區域的河道距離較長，各洪溝大部分的推移質和懸移質泥沙主要淤積在出山口以下的洪積扇區域，因此在攔洪堤壩和導洪溝內無明顯泥沙淤積現象，導洪溝部分河段有沖刷下切現象。

5.2 烏浪巴依排洪溝河段

根據洪水調查資料和實地踏勘情況，目前，烏浪巴依溝匯集口以下修建的12.30 km排洪河道內，沒有形成明顯的整體下切和淤積河段，只在排洪河道內有局部的沖刷或泥沙淤積現象。

6 結語

根據烏浪巴依溝防洪工程建設需要，利用臨近的克爾古提水文站作為參證站，采用插補法、水文比擬法，對北山1～4號溝和4號溝支溝山口處的泥沙特性進行了計算分析，從而可知，北山1～4號溝號溝出山口至攔洪堤壩和導洪渠河段無明顯泥沙淤積現象，烏浪巴依排洪溝河段有局部的沖刷或泥沙淤積現象，基本河勢穩定，河床變化不大，可以進行工程建設。