乌浪巴依沟泥沙特性及河床演变探析

秦 军

（新疆巴音郭楞水文勘测局，新疆 库尔勒 841000）

1 概况

位于和静县城东北部的乌浪巴依沟，其洪水主要来源于和静县城北山区的1～4号山洪沟，地势北高南低。以出山口为界，北为侵蚀、剥蚀低中山区，南为冲洪积倾斜平原区。4条沟互相毗邻，均为季节性山洪沟。山前冲洪积戈壁倾斜平原主要分布在出山口至黄水沟东支以北地带，出山口海拔1450 m，冲洪积扇底部缘海拔1100 m，平均坡度为18‰左右。和静县属典型的大陆性气候，冬冷夏热，日温差较大。北部山区属高寒半湿润半干旱气候，只有冷暖半年之分，雨雪较多，高寒风大，终年可见霜雪。年平均降水量为64.2 mm，年平均蒸发量为1110.3 mm。

2 节点防洪工程分析

为了确保县城安全，和静县计划在乌浪巴依沟S305公路交通桥处到解放二渠渡槽拟建防洪工程7.5 km，共分3段，分别为：洪水汇合口以下4.8 km的S305公路交通桥处（桩号K0+000）、S305公路交通桥以下4.85 km的石林路交通桥处（桩号K4+850）和石林路交通桥以下2.65 km的解放二渠渡槽处（桩号K4+850）。为了确保工程顺利实施，需对河道泥沙特性及河床演变进行分析。由于乌浪巴依沟无水文观测站点，所以，以附近清水河的尔古提水文站作为参证站进行泥沙特征分析。

3 参证站泥沙特征分析

3.1 采用插补法延长系列资料

建于1963年6月的克尔古提水文站，现有38年实测泥沙资料，其中1966、1967和1970年部分月份缺测。为准确反映泥沙变化特征，本次对清水河克尔古提水文站1993年和1994～2015年停测月份的悬移质泥沙资料进行插补。克尔古提站1993年悬移质泥沙资料的插补延长，采用历年1～11月输沙量与历年年输沙量相关，见图1。

相关系数：R=1，式中：W 为年输沙量；W1～11月~1～11 月时段输沙量；根据（1）式求得1993年年输沙量，然后用年输沙量减去1～11月份输沙量，求得12月份输沙量。

图1 克尔古提水文站历年1～11月输沙量与年输沙量相关图

克尔古提站1994～2015年悬移质泥沙资料的插补延长，采用历年5～11月输沙量与历年年输沙量相关，见图2。其相关方程为：

相关系数：R=0.9999，式中：W 为年输沙量；W5～11月为 5～11月时段输沙量。

根据（2）式求得1994～2015年年输沙量，然后用各年输沙量减去各年5～11月输沙量，求得1～4月份和12月份合计输沙量，再用多年平均历年1～4月份和12月份输沙量占1～4月份和12月份合计输沙量百分比，计算出1994～2012年各年1～4月份和12月份各月输沙量。

图2 克尔古提水文站历年5～11月输沙量与年输沙量相关图

3.2 悬移质泥沙特征分析

用清水河克尔古提水文站 1981～2015年实测悬移质泥沙资料，分析说明清水河悬移质泥沙年际年内变化特征。

3.2.1 含沙量变化特征

河流含沙量因流域气候的干旱程度和暴雨洪水的强度不同而不同，植被和地质条件也是重要的影响因素。由于清水河低山丘陵区植被和地质条件较差，降雨残留过程中水土流失严重，形成流域主要产沙区。暴雨洪水期，水量集中、流速大，水流挟沙能力加强，使得河流含沙量剧增，经对参证站悬移质含沙量统计，克尔古提水文站多年平均含沙量为1.383 kg/m3，历年最大实测含沙量89.5 kg/m3。

3.2.2 输沙量变化特征

山区既是径流形成区同时也是泥沙的侵蚀源地。高山区因以冰川融雪补给为主，径流量小，其产沙量亦相对小，中山和浅山区为降雨补给为主，雨洪集中，致使产沙量也不断增加。夏季地表土壤结构松散，在季节性积雪消融和夏季雨洪的推动下，大量泥沙注入干流，使河道的悬移质输沙量剧增。冬季流域表面因积雪覆盖，坡地产沙停止。悬移质输沙量随河流径流量、含沙量的变化而变化。经对克尔古提水文站1981～2015年水沙情况统计，多年平均年径流量为1.385×108m3，多年平均年输沙量为 19.77×104t，多年平均输沙模数194.6 t/km2，历年悬移质输沙量系列中，最大年是最小年的427倍。

3.2.3 输沙量年内分配

清水河流域悬移质泥沙年内分配极不均匀，夏季大量冰雪融水和局部暴雨洪水携带大量泥沙进入河道，使得夏季输沙量高度集中。克尔古提水文站连续最大四个月输沙量出现在夏季6～9月，其输沙量占年输沙量的99.75%以上；最大月输沙量基本出现在7月份，占年输沙量的70.5%。

3.2.4 输沙量、含沙量年际变化

清水河流域悬移质输沙量、含沙量的年际变化都较大，年最大与年最小悬移质输沙量比值分别为427倍，年平均最大与年平均最小含沙量比值分别为113倍。参证站悬移质含沙量、输沙量年际变化见表1。

表1 参证站悬移质输沙量、含沙量年际变化汇总表

4 乌浪巴依沟泥沙特性分析

4.1 出山口多年平均输沙量计算

由于和静县城乌浪巴依沟洪水源头北山1～4号沟和4号沟支沟出山口处无实测泥沙资料，是间歇性的山洪沟，在估算输沙量时，采用清水河流域克尔古提水文站多年平均悬移质泥沙资料推算。因北山1～4号沟和4号沟支沟和清水河流域的气温、风力等主要气候因素与土壤结构、植被、河道坡度等主要下垫面因素基本相同。直接移用克尔古提水文站的多年平均输沙模数（Ms克=194.6 t/km2），作为北山1～4号沟和4号沟支沟山口处的多年平均输沙模数，将克尔古提水文站的选用参数代入公式（3）：

式中：Wsi为北山1～4号沟和4号沟支沟山口处多年平均悬移质输沙量（t）；Fi为北山1～4号沟和4号沟支沟山口以上集水面积（km2）；Ms克为克尔古提水文站多年平均悬移质输沙模数（t/km2）。

经计算，北山1～4号沟和4号沟支沟山口处多年平均悬移质年输沙量见表2。

表2 北山1～4号沟和4号沟支沟山口处多年平均悬移质输沙量

4.2 推移质输沙量估算

根据水利电力出版社《水文分析与计算》书中推移质的估算方法。系数法：β代表推移质输沙量S与悬移质输沙量R之比，即：

在一般情况下β采用下列数值：平原区河流，β=0.01～0.05；丘陵区河流，β=0.05～0.15；山区河流，β=0.15～0.30。由于北山 1～4号沟和4号沟支沟流域汇流坡降与河道坡降较大（河道坡降为160‰～110‰），流域汇流时冲刷能力强，河道水流速度大，水动力条件充沛；流域植被差，流域地处戈壁荒漠地带，气候干热、风沙天气较多，表层岩石及土壤破碎等。在气候、自然地理状况、水动力条件等因素的作用下，造成北山1～4号沟和4号沟流域洪水时水流含沙量高。河床质多由砂石组成（3～20 cm的砂石约占50%），颗粒级配及不均匀。相比之下北山1～4号沟和4号沟产生推移质泥沙的条件比较充沛。根据洪水调查时实地踏勘，北山1～4号沟和4号沟山口处的冲淤变化明显。因此，北山1～4号沟和4号沟山口处推移质输沙量S与悬移质输沙量R之比β，选用一般情况下山区河流的取值范围0.20为宜。

水文比拟法计算的北山1～4号沟和4号支沟多年平均悬移质输沙量，由（2）式计算得多年平均推移质输沙量、输沙总量见表3。

表3 北山1～4号沟和4号支沟山口处多年平均输沙总量

4.3 流域输沙量沿程变化

北山1～4号沟和4号支沟流域平时无水，河道中的泥沙主要来自于洪水。由于北山1～4号沟和4号支沟流域汇流坡降与河道坡降较大，流域汇流时冲刷能力强，在水动力条件充沛时，洪水中的泥沙含量较大。根据洪水调查时实地踏勘，北山1～4号沟和4号支沟出山口处河床质多由砂加卵石组成，且出山口处的冲刷明显。在出山口以下至拦洪导流坝和排洪沟河段，河床质多由戈壁砂石组成，工程区域内有四条较大山洪沟的洪水下泻。目前在各洪沟出山口以下洪水经拦洪导流坝拦截，通过拦洪排洪沟疏导汇集到乌浪巴依沟的深切河道内，汇集口以下河段有人工加固修建的临时排洪河道，水流较集中，水流挟沙能力较大。

5 乌浪巴依沟河床演变分析

造成乌浪巴依沟河道改道、河床冲淤变化的主要原因是洪水对河床的冲刷和洪水中泥沙的淤积，根据北山1～4号沟出山口一下不同年代洪水调查资料，和各次洪水调查时河段实地踏勘情况记录，以及搜集的近期卫星图片，河段河床历史演变情况的对比分析分别为：

5.1 北山1～4号沟出山口至拦洪堤坝和导洪渠河段

根据洪水调查资料和实地踏勘情况来看，近几年在人类活动的影响下，北山1～4号沟出山口以下4～8 km的位置处，有人工修建的两处拦洪导流堤坝，通过拦洪堤坝和导洪渠，将北山1～4号沟的洪水疏导汇集到各洪沟出山口以下5～10 km（河道距离）位置处的乌浪巴依沟深切河道内，由于各洪沟通过洪积扇区域的河道距离较长，各洪沟大部分的推移质和悬移质泥沙主要淤积在出山口以下的洪积扇区域，因此在拦洪堤坝和导洪沟内无明显泥沙淤积现象，导洪沟部分河段有冲刷下切现象。

5.2 乌浪巴依排洪沟河段

根据洪水调查资料和实地踏勘情况，目前，乌浪巴依沟汇集口以下修建的12.30 km排洪河道内，没有形成明显的整体下切和淤积河段，只在排洪河道内有局部的冲刷或泥沙淤积现象。

6 结语

根据乌浪巴依沟防洪工程建设需要，利用临近的克尔古提水文站作为参证站，采用插补法、水文比拟法，对北山1～4号沟和4号沟支沟山口处的泥沙特性进行了计算分析，从而可知，北山1～4号沟号沟出山口至拦洪堤坝和导洪渠河段无明显泥沙淤积现象，乌浪巴依排洪沟河段有局部的冲刷或泥沙淤积现象，基本河势稳定，河床变化不大，可以进行工程建设。