故鄉河流域懸移質特征研究

高 鵬

（新疆哈密水文勘測局，新疆 哈密 839000）

懸移質泥沙主要是指懸浮在河道流水中、隨流水向下移動的較細泥沙及膠質物等，即在水流影響下，使黏土、細砂等質量較輕的物質在紊流作用下，懸浮在河床之上，混于水體之中。在全球各大圈層的物質循環過程中，懸移質泥沙均扮演著重要的角色，是河流物質侵蝕輸移的重要表征值；同時也是水質水環境評價的重要參數；并且懸移質泥沙也被視為陸地環境變化最敏感的參數之一，尤其是冰川環境變化[1]。許多研究表明，冰川區具有較高的侵蝕作用，而且溫度越高，冰川區徑流中物質侵蝕率越高，因此也將高寒區徑流的物質侵蝕量視為未來氣候環境變化的指示劑[2-3]。

故鄉河流域是我國西部干旱區和極端干旱區較為典型的河流，具有少量冰川消融水補給，因此本文選擇以此流域進行研究，對我國西部干旱區有冰川消融水補給的眾多中小流域具有普遍的意義。

1 研究區概況

1.1 地理位置

故鄉河流域在我國新疆哈密市境內，主要由二道溝、三道溝二個小流域組成。在該流域海拔1500 m處設有白吉水文站（93°51′E，43°08′ N），水文站以上的控制面積為431 km2，河長47.3 km。流域最高峰為4750 m，平均高程為2857 m，平均坡降為53.7‰[4-5]。在流域4050 m以上范圍內，常年覆蓋有積雪，冰川占地面積達到13 km2以上，占到流域整體面積的3%左右，對冰川儲量進行估算，約在0.7074 km3。在流域范圍內的中高山區部位，多為懸崖和裸露的巖石，植物數量較少；在流域范圍內的中低山區部位，有著種類相對豐富的植被，如：在陰濕地帶可看見天山云杉、落葉松等植被；在河灘周邊區域能夠見到胡楊樹、冰草等織物。由于冰川消融水的補給作用，中低山區的植被明顯好于沒有冰川消融水的流域。故鄉河流域水系分布見圖1。

圖1 故鄉河流域水系分布圖

1.2 水文資料概況

白吉水文站始建于1955 年，該水文站負責觀測流域內水位、流量、懸移質泥沙（懸移質泥沙監測1985 年1 月開始，至今仍在監測）等。多年監測結果表明1956 年～2010 年該流域多年平均徑流量為0.5176×108m3，年徑流量最大值為0.8424×108m3（1961 年），年徑流量最小值為0.2470×108m3（1962 年），變差達3.4 倍；最大年洪峰流量為210 m3/s（1961 年），最小年洪峰流量為5.22 m3/s（1962年），變差高達40.2 倍；多年平均懸移質輸沙量（下稱懸沙）3.275×104t，實測最多年懸移質輸沙量12.4×104t（2007 年），最少年懸移質輸沙量0.232×104t（2009年），變差53.4倍，懸移質輸沙量遠低于沒有冰川消融水補給區域普遍在百倍以上的特性，白吉水文站主要水文特性見表1、表2。

表1 故鄉河流域水文特性表

表2 故鄉河流域水文特性表

故鄉河流域的氣溫受流域地形因素影響較大，流域氣溫隨地形升高逐漸降低，在夏季，流域的低山區部位氣溫較高，具有明顯的炎熱感受，而在中高山部位則較為涼爽。這些水文特性基本代表了干旱區有冰川消融水補給流域的基本特征。

2 洪水類型

2.1 季節性融雪洪水

故鄉河流域擁有較多的高山區，據統計數據顯示，流域的平均高程超過2800 m。在春季時，隨著流域內氣溫逐漸上升，流域內部分冰雪會逐漸消融，然后統一匯入到河流之中，進而可能形成春季融雪洪水，洪水的實際大小與區域內融化積雪量有著直接關系。通常此類洪水產生峰值相對不高，且表現出“一日一峰”的現象，從發生時間來看，多集中在4月～5月。

2.2 暴雨洪水

暴雨洪水通常發生在夏季，且多集中在6 月末到8 月這段時間，表現出洪水量大、峰值較高、破壞性高等特點。夏季流域內屬于多雨時節，在局部連續性降雨一段時間后，雨水匯聚入故鄉河，便可能在短時間內聚集起較多的水量，進而形成洪水，通常此類洪水在雨停后形成，持續時間較短，但洪水峰值卻相對較高，具有較高的破壞性。

2.3 暴雨融冰雪混合型洪水

該種洪水類型主要指的是集合上述兩種洪水特征形成的混合型洪水。此類洪水的實際持續時間受到多方面因素影響，如：流域內的暴雨降雨量、流域內的氣溫情況等，但此類洪水通常表現出洪水量較大、持續時間較長等特點。

3 泥沙類型

流域范圍內的土壤，在受到流水、雨水沖刷作用之后，會有少量的泥沙混入到水流之中，并逐漸匯聚到河流之中，這屬于河流重要的水文特征表現，是一種正常的自然現象。落實到具體來看，流域高山區部位屬于泥沙的主要侵蝕源地，也屬于河水主要補給地[6-8]。監測該流域正常情況下的泥沙含量，普遍較小，但在爆發洪水的情況下，河流中含有的泥沙量會大幅增加，由于中低山區的植被明顯好于沒有冰川消融水的地方，故泥沙的輸移量遠少于沒有冰川消融水的區域。

3.1 冰雪型洪水產生的泥沙

來自冰雪型洪水的泥沙貫穿于整個汛期，輸沙量取決于山區的氣溫高低，氣溫越高，洪峰流量就越大，輸沙率就越大。經對流域內懸移質泥沙量持續監測，監測到其每年4 月下旬到5月上旬這段時間含量達到最大，而這段時間恰為流域的春洪時間段，由此可看出流域的泥沙輸送量與洪水有著直接性關系。

故鄉河流域每年都會在春季發生融雪洪水，來水量視山區氣溫變化，在沒有降水的情況下自然河道內的流量一般每秒不超過5.0 m3，水中攜帶的泥沙含量通常較小。

3.2 暴雨型洪水產生的泥沙

6月下旬到8月中旬這段時間，是故鄉河流域洪水主要發生時間段，雖然從洪水實際發生次數來看，相對融雪型洪水次數較少，但每次洪水爆發都有著較高的強度，產生的破壞性較大，且洪水中攜帶有較多的泥沙。例如1998 年8 月13 日，故鄉河流域發生強降雨造成大洪水，最大洪峰流量達124 m3/s，該流量數值是平時流量的27 倍，從監測到的懸移質泥沙含量數據來看，最高達到95.9 kg/m3，是平時監測數值的738倍。

3.3 暴雨冰雪混合型洪水產生的泥沙

該類洪水峰值較高，且含有泥沙量非常大，例2007 年7月17 日，發生暴雨冰雪混合型洪水，白吉水文站斷面的懸移質輸沙高達10000 kg/s，是始漲時斷面輸沙率的1500 倍，斷面平均泥沙含量最高時達64.5 kg/m3，為漲水前一天最大含沙量的94 倍。

4 懸移質泥沙量的計算

對于內陸干旱地區而言，整體降水量較少，高山雪冰融水便成為內陸河流的主要水源補給，因此當前對雪冰徑流中的成分進行仔細分析，能夠將獲得的數據作為水質水環境評價的重要參數。而河流中懸移質泥沙量計算是反應水質的重要參數之一，可加強對其研究[9]。根據白吉水文站從1985 年～2010 年監測到的懸移質輸沙數據信息，進行綜合分析并計算，得到如表3所示的不同頻率懸移質輸沙量數據。

表3 白吉水文站不同頻率懸移質輸沙量

從表3可看出，故鄉河流域在1985年～2010 年這段時間內，平均懸移質輸沙量為3.275×104t。其在秋、冬這段時間內的輸沙量相對較小，該時段河流內水源主要通過地下水進行補給，監測到的輸沙量數據為零；而在春、夏兩個季節的輸沙量達到最大。對故鄉河流域多年懸移質輸沙量進行統計計算，得到如表4 所示的平均值，從表中數據可看出，故鄉河流域每年7 月份的懸移質輸沙量達到最高，占到全年輸沙量的38.9%。同時對比各年、各季節懸移質輸沙量，從中發現相同季節懸移質輸沙量不存在明顯性變化，年內徑流量、輸沙量變化都具有較強的相似性。

懸移質輸沙量在年內變化還有一個特別的情況，即某年一場特大洪水所攜帶的泥沙與洪峰流量關系密切，則洪水的年際變化大于徑流量的年際變化，白吉水文站年徑流量最大值為0.8424×108m3，最小值為0.2470×108m3，變差達3.4倍；最大年洪峰流量為210 m3/s，最小年洪峰流量為5.22 m3/s，變差達40.2 倍；年輸沙量最大年為12.4×104t，最小年為0.232×104t，變差達53.4 倍。故鄉河流域懸移質輸沙量年內分配，見表4和表5。

表4 多年各月份平均懸移質輸沙量

表5 流域各季節懸移質輸沙量

經分析，研究區域懸移質輸沙量的年際變化很大，從表6看出故鄉河流域有實測樣本系列26 年，年輸沙量大于多年均值的有8 年，少于多年均值的有14 年，屬特豐年份及特少年份分別為6 年和12 年，占總數的69.3%，正常輸沙年份（-10%≤距平≤10%）的懸移質輸沙量僅占多年均值的15.4%，46.2%的年份河道中輸沙量屬特低輸沙年份。

表6 故鄉河年懸移質輸沙量

懸移質輸沙量必然受一些水文要素的影響，如：地質特征、徑流大小、洪水情況等，而相關水文要素在我國西部干旱區表現出較高的相似性（主要指具有冰川消融補給的河流），即某年最大洪峰次罕見的洪水所攜帶的泥沙可能是多年均值的數倍，例如1998 年和2007 年的懸移質泥沙總量達23.9×104t，分別為流域多年平均懸移質輸沙量的3.5 倍和3.8倍。而在無冰川消融水補給的流域里，如哈密地區頭道溝流域，其懸移質輸沙量正常年份變化不大，其中1986 年～2006 年連續21年的平均值僅2.12×104t，最多的1993年懸移質輸沙量5.90×104t，為多年平均值的2.8倍。由此也可以看出，有無冰川融水補給對河流懸移質含量也存在較大影響。

為了分析影響懸移質輸沙量的主要因素，分別與相關影響因素進行綜合分析，白吉水文站懸移質輸沙量到底與哪個水文要素的關系最為密切，或為主要因素，本次懸移質輸沙量的分析分別與流域同期徑流量、降水量、洪峰流量進行相關分析見圖2、圖3、圖4，發現白吉水文站水文站年懸移質輸沙量與當年徑流量、降水量的關系不大，但與流域同期洪峰流量相關計算中多項式相關的相關系數為0.95，相關方程R=0.7739x2+1.6533x+21.224，表明白吉水文站懸移質輸沙量與年最大洪峰流量關系極為密切，可以說影響流域懸移質輸沙量的關鍵因素是洪峰流量。

圖2 年輸沙量與年徑流相關分析圖

圖3 年輸沙量與年降水量相關分析圖

圖4 年輸沙量與年洪峰流量相關分析圖

相關研究也表明，徑流的季節變化是徑流輸沙量變化最重要的影響因素，冰雪消融能量、積雪分布以及泥沙補給等都是影響徑流輸沙的次要因素。同時，較大的水動力條件以及雪冰中較高濃度的不溶物質的補給，也導致徑流中泥沙的濃度增大，因此冰川消融強烈且融水對河流補給較大時，河流中的懸移質物質含量較高。

5 結語

故鄉河流域的懸移質輸沙特征，反映了我國西部干旱區有冰川消融水補給的中小河流的懸移質輸沙基本運行規律和特點。其懸移質輸沙量遠低于沒有冰川消融水補給的流域，我們在進行懸移質輸沙率計算時采用常規的水文統計方法即可。