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)科爾達拉河源頭的31號冰川，發(fā)育的河流水網(wǎng)呈樹狀，且屬于典型的冰川融雪補給型河流，地勢自南向北由高到低，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，山勢陡峭，冰川儲量豐富。

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，含沙量相對低，從整個山區(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，強降雨勢必將岸坡松散風積物裹挾入河道，導致河道泥沙含量暴增，可見，暴雨洪水是導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，選用測站泥沙資料系列較長，河流泥沙含量變化與降雨歷時、雨量大小、下墊面情況有直接關系，而且還必須考慮測驗手段和精度等問題，根據(jù)《水利水電工程水文計算規(guī)范》(SL278-2002)，當泥沙資料序列為20a及以上，可進行泥沙特征值的統(tǒng)計分析[1]。因此本次設計不進行插補延長，直接采用實測數(shù)據(jù)分析計算。據(jù)紅山頭站實測泥沙資料分析，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。紅山頭站實測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。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)泥沙資料的測站共有3個，即上游的紅旗渠站、中游的霍爾果斯站和下游紅山頭站，以上水文測站均為省級重要水文站。各測站資料系列長度、實測年限及含沙量、輸沙量等情況詳如表1所示。

表1 金溝河流域有懸移質(zhì)泥沙資料的測站概況

3.1 泥沙含沙量變化

結合金溝河流域泥沙季節(jié)性變動趨勢，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，含沙量在各個年代均表現(xiàn)為不斷攀升的變動趨勢。流域夏季含沙量從20世紀60年代的2.02kg/m3上升—21世紀初期的4.43kg/m3，增幅達到119.3%；春季含沙量在20世紀60年代時為0.5kg/m3，此后的20世紀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世紀初期的1.23kg/m3，但比20世紀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60年代的0.14kg/m3上升—21世紀初期的0.42kg/m3，升幅200%，但是絕對值僅增加了0.28kg/m3。冬季金鉤河流域含沙量絕對值由20世紀60年代的0.003kg/m3上升—21世紀初期的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

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趨勢相類似，流域不同年代不同季節(jié)泥沙輸移量也呈現(xiàn)遞增趨勢，具體見圖2。但是與流域含沙量變動趨勢所不同的是，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60年代的196.1萬t增加至21世紀初期的498.8萬t，增幅達154.36%；上世紀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趨勢

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)護能力，且覆蓋率低，強降雨和暴雨裹挾泥沙沖入河道，導致流域含沙量增大。根據(jù)金溝河流域泥沙變動及流域?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)暴雨等氣候條件導致水土流失不斷加劇；二是流域上游過度的森林砍伐、放牧、采礦等人類活動導致區(qū)域原有植被結構遭到嚴重破壞，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 人類活動的影響

從20世紀60年代開始，金溝河流域的林場大多將采伐視為主業(yè)，在加大林木采伐力度的同時忽略了植樹造林。相關資料顯示，從1960年開始到2005年的數(shù)十年間，流域累計森林砍伐量達90.4萬m3，僅20世紀60年代的砍伐量就達34.1萬m3，20世紀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世紀初期流域森林砍伐量降至4.9萬m3。到2005年國家相關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，從20世紀60年代的89.78萬標準畜增至21世紀初期的170.58萬標準畜，牲畜存欄數(shù)增幅達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)牧場實際牲畜存欄量已經(jīng)大大超出牧場產(chǎn)草量核定可載標準畜理論規(guī)模，超載現(xiàn)象十分嚴重。

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，渠道上游河道將會演變?yōu)橐鸷拥罒o明顯灘工程場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的細砂粒含量為4.5%，0.315-0.16m微細砂含量2.8%，<0.16mm的細粒含量為4.8%，根據(jù)河床質(zhì)泥沙的構成，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，主干排沙設施不能發(fā)揮，排沙時間短，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，輸沙道淤堵時有發(fā)生，降低了排沙效果。故新渠首在排沙運行方面，應增加汛期排沙水量和歷時。

由于引水渠首對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面，將會按原渠首上游河槽淤積平衡比降0.7%向上游進行溯源淤積。在新的輸沙條件下，束窄段上游由于流速降低，將會發(fā)生淤積，同時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 論

金溝河流域為多泥沙河流，其泥沙主要來自降雨、冰川融雪對流域面的侵蝕及對水流的沖刷，農(nóng)田、森林和草地等地貌也對流域泥沙規(guī)模有較大貢獻和影響。文章分析結果表明，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。水庫工程的建設及對流域水的攔蓄作用會導致泥沙沉積于庫區(qū)，進而影響流域泥沙變化，而流域泥沙也會對水利工程正常運行產(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重并對水輪機過流部件造成嚴重磨蝕，導致機組始終無法穩(wěn)定運行，出力也難以達到設計能力。

為減少平原水庫泥沙淤積，減輕流域泥沙對水電站設備的磨蝕損壞及不利影響，確保流域水利工程正常運行，金溝河流域管理部門應當加強對流域生態(tài)環(huán)境的保護與管理，嚴禁對天然林進行過度采伐，加強人工造林進度，建立長效的林草資源恢復保持機制；同時，嚴格限制草地放牧規(guī)模和載畜量，建設標準化的飼草料基地，緩解流域山區(qū)草場載畜壓力。