李旗進(jìn)，李翰堯

（1.新疆白楊河河流域管理局,新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆馳遠(yuǎn)天合工程造價(jià)咨詢公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 前言

金溝河流域位于天山北麓,流域整體由南向北傾斜,地形因凹地和山脈相間分布而起伏不平,最高和最低海拔分別為5562 m、341 m,金溝河河長(zhǎng)118.5 km,平均坡降值2.5%。在地質(zhì)條件及地層巖性等的影響下,流域上游草木茂盛,永久性積雪和冰川覆蓋在海拔3500 m以上的地帶,海拔2000 m~3500 m以上的地帶植被覆蓋率較高,基本不產(chǎn)沙；海拔在2000 m以下的地帶主要為松散破碎層,植被稀少,產(chǎn)沙量大。進(jìn)入汛期后,在暴雨的沖刷下兩岸岸坡松散風(fēng)積沙被帶入河道,導(dǎo)致河道泥沙驟增,所以說,金溝河泥沙主要來自暴雨洪水。金溝河是新疆天山北坡含沙量最大的河流之一,紅山頭渠首以上并無控制性水利工程,流域下游山澗平原河床及河漫灘幾乎都是礫石層和卵石層,存在較為嚴(yán)重的滲漏。此外,泥沙進(jìn)入渠首水利工程后導(dǎo)致工程受損嚴(yán)重,運(yùn)行管理費(fèi)用及流域現(xiàn)有水利工程安全運(yùn)行的難度大大增加。

2 金溝河下游泥沙淤積概況

2.1 泥沙來源

根據(jù)金溝河流域地質(zhì)地貌條件,其上游水土保持較好,而海拔2000 m以上植被覆蓋良好,產(chǎn)沙量少。流域下游海拔在2000 m以下的區(qū)域植被稀少,是流域內(nèi)主要的產(chǎn)沙區(qū),進(jìn)入汛期后會(huì)在暴雨的沖刷下將河道岸坡松散風(fēng)積沙帶入河道,導(dǎo)致河道內(nèi)泥沙驟增。考慮到流域地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性,流域下游河道泥沙主要分布在流域內(nèi)的砂礫石地層和土層。流域內(nèi)砂礫石地層顆粒組成較為一致,粒徑中值為22 mm,顆粒組成及占比情況詳見表1,粒徑在0.075 mm以下的顆粒占比2.5%,粒徑在0.5 mm以下的顆粒占比8.5%,粒徑在5 mm以下的顆粒占比24.3%,可見,砂礫石地層在遭遇沖刷后進(jìn)入河道主要形成推移質(zhì)。

表1 金溝河下游砂礫石地層顆粒組成

金溝河下游懸移質(zhì)主要由流域內(nèi)風(fēng)化后的粒徑在0.015 mm及以下的泥巖與第四系更新統(tǒng)~全新統(tǒng)沖洪積低液黏土形成,顆粒粒徑及占比情況見表2,粒徑不足0.002 mm的顆粒占比11.3%,粒徑在0.005 mm以下的顆粒占比21.3%,粒徑0.075 mm以下的顆粒占比96.6%,粒徑0.5 mm以下的顆粒占比99.83%。所以,土層在暴雨的沖刷和侵蝕下流入河道后形成懸移質(zhì),且不參與造床。

表2 金溝河下游土層顆粒組成

綜上,礫石地層分布區(qū)域、風(fēng)化泥巖及土層分布區(qū)域是金溝河下游泥沙的主要來源,且流域下游砂礫石地層區(qū)域主要產(chǎn)生推移質(zhì)泥沙,風(fēng)化泥巖及土層主要產(chǎn)生懸移質(zhì)泥沙。

2.2 泥沙淤積特征

（1）年際變化較大且年內(nèi)分配集中：根據(jù)相關(guān)研究,河流泥沙的變化與河流徑流組成存在較為密切的關(guān)系[1],如果流域?yàn)楸┯旰樗a(bǔ)給型河流,則泥沙存在較大的年際變化,如果流域?yàn)楸ㄑa(bǔ)給型河流,則泥沙年際變化小。金溝河流域是典型的冰川融水+降水混合補(bǔ)給型,其含沙量和輸沙量年際變化均較大。

金溝河流域下游紅山頭水文站實(shí)測(cè)水文資料中,6 月~8 月的輸沙量在全年輸沙量中占比98.1%,僅7 月的輸沙量就占全年輸沙總量的56.7%,冬季輸沙量基本為零,這主要與流域下游河面冬季覆蓋物干燥松散、水量集中等特征有關(guān),具體數(shù)值見表3。

表3 金溝河流域下游紅山頭水文站實(shí)測(cè)懸移質(zhì)輸沙量數(shù)據(jù)

根據(jù)流域下游紅山頭水文站汛期逐日輸沙率過程線及逐日降水量變動(dòng)趨勢(shì),因暴雨所導(dǎo)致的流域泥沙過程主要表現(xiàn)為一次暴雨一個(gè)沙峰,如遇暴雨和冰川融雪疊加的情況,則沙峰陡漲陡落趨勢(shì)更加明顯。

（2）含沙量較為集中：根據(jù)對(duì)下游紅山頭水文站懸移質(zhì)輸沙量的分析表明,流域下游7 月~8 月沙峰主要由暴雨和冰川融雪疊加引起,1975 ~2016 年間,7 月19 日~20 日兩日的輸沙量均值為16.1 萬t, 8 月1 日~2 日兩日的輸沙量均值為53.4 萬t,兩次沙峰輸沙總量達(dá)69.5 萬t,在全年總輸沙量中占比84.7%。根據(jù)相關(guān)分析, 6 月~8 月是金溝河流域暴雨頻發(fā)的季節(jié),所對(duì)應(yīng)的輸沙量在全年總輸沙量中占比很大,且沙峰具有陡漲陡落變化趨勢(shì),不利于河道行洪安全,也不利于下游工農(nóng)業(yè)用水的穩(wěn)定性及水利工程的安全運(yùn)行。

3 沖淤變化的成因分析

3.1 汛期水沙量變化

金溝河下游水沙量主要來自于汛期,由此引起的河道沖淤變化也主要在汛期發(fā)生,金溝河下游沖淤量和汛期水量的關(guān)系見圖1。由圖1 可知,隨著流域下游汛期水量的增大,淤積量呈減小趨勢(shì)。當(dāng)下游河道實(shí)際水量<60×108m3的水量界限,河道表現(xiàn)為淤積,而當(dāng)下游河道實(shí)際水量>60×108m3[2]的界限,則表現(xiàn)為沖刷。金溝河下游汛期水量超出60×108m3界限的年份主要在1975 年~1995 年間,其中,沖刷大多發(fā)生在大水年,淤積發(fā)生在小水年,綜合后該期間金溝河下游累計(jì)淤積量并不大。1996 年以來金溝河下游汛期來水量偏小,淤積量較大,小水年主要表現(xiàn)為淤積,但是卻無大水年的沖刷,造成金溝河下游1996 年以后的累計(jì)淤積。

圖1 金溝河下游沖淤量和汛期水量的關(guān)系

水沙搭配對(duì)金溝河流域下游沖淤存在一定程度影響,根據(jù)所繪制的流域下游汛期沖淤量和來沙系數(shù)的關(guān)系曲線（圖2）可知,隨著單位水量來沙系數(shù)的增大,流域下游單位水量沖淤量隨之增大,當(dāng)來沙系數(shù)>0.1 kg·s/m3的臨界點(diǎn)時(shí),下游河道表現(xiàn)為淤積,而當(dāng)來沙系數(shù)<0.1 kg·s/m3的臨界點(diǎn)時(shí),下游河道表現(xiàn)為沖刷。1975 年~1995 年間金溝河下游汛期來沙系數(shù)取值較小,主要在0.02 kg·s/m3~0.2 kg·s/m3范圍內(nèi)變化,而1996 年及以后,汛期來沙量降幅比水量降幅小,來沙系數(shù)普遍較大,單位水量淤積量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖2 金溝河下游汛期沖淤量和來沙系數(shù)的關(guān)系

3.2 洪水變化

根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的1975年 ~2016 年不同時(shí)段金溝河下游紅山頭水文站不同洪水場(chǎng)次數(shù)據(jù)見表4,根據(jù)表中數(shù)據(jù),金溝河下游洪水主要為中小洪水,20 世紀(jì)80 年代~90 年代洪水發(fā)生次數(shù)多且量級(jí)大,其中,1981 年~1986 年間共發(fā)生洪水17 次,200 m3/s~300 m3/s量級(jí)及300 m3/s以上量級(jí)的洪水各1 次；1993 年~1998 年間共發(fā)生洪水15 次,200 m3/s~300 m3/s量級(jí)的洪水2 次,300 m3/s以上量級(jí)的1 次。1999 年以來,金溝河下游洪水次數(shù)及量級(jí)顯著減少,1999 年~2004 年間,100 m3/s~200 m3/s量級(jí)的洪水出現(xiàn)1 次,300 m3/s以上量級(jí)的洪水出現(xiàn)2 次；2005 年~2009 年間50 m3/s~100 m3/s量級(jí)的洪水出現(xiàn)1 次,100 m3/s~200 m3/s量級(jí)的洪水出現(xiàn)1 次；2010 年~2016 年間發(fā)生100 m3/s~200 m3/s量級(jí)的洪水1 次。近20 年來,金溝河下游大洪水發(fā)生的次數(shù)明顯減少,含沙量高的大洪水造成灘面淤高的現(xiàn)象很少,河道泥沙淤積除受局部侵蝕基準(zhǔn)面升降的微小影響外基本呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。

表4 金溝河下游紅山頭水文站不同洪水場(chǎng)次數(shù)據(jù)

3.3 河床條件的變化

根據(jù)金溝河下游河道泥沙淤積部位,可將河道淤積分為灘地淤積和主槽淤積,灘地淤積主要因主槽排洪能力不足導(dǎo)致洪水漫灘淤積所致,而主槽淤積主要因含沙量高的小洪水引起。在中常洪水的影響下,主槽內(nèi)淤積的泥沙遭遇沖刷,主槽拓寬,河道泄洪能力增大。

一定時(shí)期的水沙過程變化會(huì)引起河槽發(fā)生相應(yīng)調(diào)整,使得河槽過洪能力和同時(shí)期來水來沙過程相適應(yīng)。1997 年汛期枯水多沙,且多高含沙小洪水,導(dǎo)致河道淤積嚴(yán)重,河槽萎縮,平攤流量不斷減小。在此種水沙條件的影響下,金溝河下游河道表現(xiàn)出典型的貼邊淤積,斷面持續(xù)縮窄,在前期主河槽過流能力持續(xù)降低的情況下,加劇洪水漫灘和河道淤積。紅山頭站平攤流量從350 m3/s驟降至110 m3/s,而2005 年汛期出現(xiàn)中洪水,沖刷河道后使測(cè)站平攤流量從105 m3/s增加至320 m3/s。根據(jù)相關(guān)資料,金溝河下游河道的過洪能力除受當(dāng)年來水量影響外,還與歷年來水量有關(guān),也就是說河道過洪能力是多年來河道來水過程持續(xù)作用的結(jié)果[3]。根據(jù)敏感性分析,金溝河下游紅山頭站平灘流量與前兩年汛期水量均值相關(guān)關(guān)系較好（圖3）,同時(shí)表明,金溝河下游河道沖淤變化頻繁。

圖3 金溝河下游紅山頭站平灘流量與前兩年汛期水量均值的關(guān)系

4 結(jié)論

本文分析結(jié)果表明,金溝河流域下游推移質(zhì)泥沙和懸移質(zhì)泥沙的形成原因各不相同,推移質(zhì)主要產(chǎn)生于流域內(nèi)砂礫石地層分布較多的區(qū)域,而懸移質(zhì)泥沙更多來自流域岸坡風(fēng)化泥巖及土層分布區(qū)域,造成流域下游河床和渠底淤積抬高的主要是推移質(zhì)泥沙,而且在推移質(zhì)泥沙的影響下,河道沖刷磨損不斷加劇,干渠運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用不斷增長(zhǎng)。通過本文對(duì)金溝河流域下游泥沙特性、沖淤變化及成因的分析,可為水資源管理部門提供流域泥沙變化趨勢(shì)特性并掌握流域泥沙年際年內(nèi)分配規(guī)律,加強(qiáng)沙情、雨情監(jiān)測(cè),并采取多種有效排沙措施,降低渠道磨損,延長(zhǎng)水利工程壽命,提高流域水資源利用效率。