霍拉沟泥沙特性及河道演变分析

薛 刚

1 概况

发源于巴州霍拉山北坡的霍拉沟，位于新疆焉耆县城西约50 km处，是一条以降雨为主雨雪混合补给为辅的山溪性河流。从河源至出山口河长73.7 km，河流出山口以上集水面积达417 km2。年平均降水量为111.1 mm，主要集中在夏季，6～8月降水量占年降水量的69.8%。经过50余年的开发治理，霍拉沟的水资源开发及水利建设有了较大发展，但霍拉沟春洪、夏洪及冬闲水无法利用。为此，规划建设具有农业灌溉、防洪、生态供水综合效益的霍拉沟防洪工程。因此，需对沟道泥沙及防洪工程处不同频率的洪水进行分析。

2 参证站泥沙特性分析

在降雨、水流、风和冰冻的侵蚀和推移作用下，将流域表面风化层上的岩石和土壤带入河流，便形成了河流泥沙。影响河流泥沙的主要因素是气候因素和下垫面因素。气候因素主要为流域的气温、降水、风力等，暴雨和风力是产生土壤侵蚀的动力。下垫面因素主要有土壤结构、植被、坡度等。河流泥沙是河流水文要素之一，它反映了河流水体的物理特性，直接关系到水利工程设计、建设和运行管理，同时也是反映流域水土流失程度的重要指标。

2.1 基本资料

清水河克尔古提水文站于1963年6月开始进行河道泥沙的观测，从1964～2013年期间共有40年实测资料。其中1966年、1967年和1970年部分月份缺测，由于冬季水量小且比较稳定1993年11月份后该站改为汛期观测站，每年5～11月进行河道水量、泥沙、水质等项目的观测，每年1～4月和12月停测。本次采用克尔古提1981～2013年33年的实测资料来分析计算悬移质泥沙特征。为较准确反映泥沙变化特征，需对清水河克尔古提水文站1993年和1994～2013年停测月份的悬移质泥沙资料进行插补延长。

采用历年1～11月输沙量与历年年输沙量相关，见图1。

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其相关方程为：W=1.0012W1～11 月 （1）相关系数：R=1

式中，W 为年输沙量；W1～11月为 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。

克尔古提站1994～2013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1994～2013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1994～2013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

2.2 悬移质泥沙的年际、年内变化

用清水河克尔古提水文站1981～2013年实测悬移质泥沙资料，分析说明清水河的悬移质泥沙的年际年内变化特征。

2.2.1 悬移质含沙量的变化特征

河流含沙量受气候干旱程度、暴雨洪水强度和植被及地质条件影响最大。由于低山丘陵区植被和地质条件较差，暴雨洪水集中、流速大，水流挟沙能力加强，使得河流含沙量剧增。从参证站悬移质含沙量统计表中可以看到，克尔古提水文站多年平均含沙量为1.586 kg/m3，历年最大实测含沙量554 kg/m3（出现日期：2011年6月18日）。

2.2.2 悬移质输沙量的变化特征

高山区、中山和浅山区，因为洪水来源不同。夏季地表土壤结构松散，在雨洪的作用下河道悬移质输沙量剧增。冬季流域表面因积雪覆盖，输沙产沙停止。经比对，参证站克尔古提水文站1981～2013年多年平均年径流量为1.361×108m3，多年平均年输沙量为21.58×104t，多年平均输沙模数212.4 t/km2，历年悬移质输沙量系列中，最大年是最小年的427倍。

2.2.3 悬移质输沙量的年内分配

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99.76%以上，最大月输沙量基本出现在7月份，占年输沙量的60.4%。最大年连续最大四个月输沙量占年99.78%，出现在2000年的6～9月。

2.2.4 输沙量、含沙量的年际变化

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119.5×104t（2000年）与年最小0.28×104t（1985年）悬移质输沙量比值为427倍，年平均最大5.748 kg/m3（2000年）与年平均最小0.051 kg/m3（1985年）含沙量比值为113倍。

3 工程处多年平均输沙量计算

3.1 悬移质输沙量

霍拉沟河流域无泥沙实测资料，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。因霍拉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=212.4 t/km2），作为霍拉沟拟建水库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：Ws霍为霍拉沟拟建水库处多年平均悬移质输沙量（t）；F霍为霍拉沟拟建水库处集水面积（km2）；Ms克为克尔古提水文站多年平均悬移质输沙模数（t/km2）。

推算得拟建水库处多年平均悬移质年输沙量为8.857×104T。

3.2 推移质输沙量的估算

根据水利电力出版社《水文分析与计算》书中推移质常用的估算方法。

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。

由于霍拉沟流域汇流坡降与河道坡降较大，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，造成霍拉沟流域洪水时水流含沙量高。河床质多由小颗粒砂石组成，颗粒级配及不均匀。相比之下霍拉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，拟建水库处的冲淤变化明显。因此，霍拉沟拟建水库处推移质输沙量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。

水文比拟法计算的多年平均悬移质输沙量8.857×104t，多年平均推移质输沙量为1.771×104t。霍拉沟拟建防洪工程处输沙总量为 10.628×104t。

4 洪水对河道影响分析

4.1 洪水成因及挟沙特性

霍拉沟洪水从成因和发生时间上可以分为暴雨洪水和降雨、融雪混合型洪水。暴雨型洪水一般多出现在7～8月，有时也出现在6月、9月，洪水过程单一，洪峰过程陡涨陡落，总历时较融雪型洪水为短，具有挟沙量大的特点。雨加雪混合型洪水多出现在春夏汛之交及夏汛。其特征为洪峰高度一般比单纯的暴雨洪水相对要高，对坡地的侵蚀作用强，含沙量大，更具危害性。

4． 2 工程处设计洪水分析

霍拉沟洪水资料贫乏，给设计洪水计算带来了一定的困难，本次采用三种方法对霍拉沟水库坝址设计洪水进行分析计算，用以进行对比分析和相互验证。

洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法，将相邻流域的洪峰流量参数综合在一起作地区综合分析，本次所搜集到的1997年洪水是该河自1981～2014年以来发生的排第一位的洪水，1987年洪水是该河自1981～2014年以来发生的排第二位的洪水，因霍拉沟几次发生洪水时，现场都有工作人员，被访问人对洪水情况记忆清楚，调查计算方法符合水文规范要求，调查洪水重现期考证比较合理，洪峰流量值较可靠，所以推荐使用地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法计算的设计洪峰流量成果。当洪水超过20年一遇时，挟沙能力加强，对河道变化影响较大。见表1。

表1 霍拉沟水库坝址不同频率设计洪峰流量 单位：m3/s

迪那河面积比指数法推求的设计洪峰流量比洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法推求的设计洪峰流量偏大，黄水沟、克尔古提水文站面积比指数法推求的设计洪峰流量比洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法推求的设计洪峰流量偏小，主要由于迪那河、黄水沟和克尔古提水文站集水面积与霍拉沟水库坝址以上集水面积差异较大所致，所以面积比指数法推求的设计洪峰流量成果可作对比分析及参考用。

由于霍拉沟出山口没有降水量资料，设计暴雨推理公式法只能使用大山口水文站的降水资料，但大山口站与霍拉沟山口之间，受距离、高程等因素的影响，降水还是有一定的差距，同时公式中涉及到多个未确定的参数，所选用参数没有实测资料验证，任意性较大，计算成果存在一定的误差，因此推求成果仅供参考。

4.3 洪水对河道影响分析

造成河道改道、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，虽然霍拉沟拟建防洪工程处的集水面积和年际年径流量与清水河克尔古提水文站相差较大，但降水形成洪峰流量的大小相近，流域植被和地质条件相同。夏季水量集中，洪水水流挟沙能力强，汛期是河道中主要产沙期。根据霍拉沟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，以及河段河床历史演变情况的对比分析，霍拉沟一年中汛期洪水中的泥沙占全年的99%以上。由于霍拉沟流域汇流坡降与河道坡降较大，流域汇流时冲刷能力强，水动力条件充沛。根据洪水调查时实地踏勘，霍拉沟出山口处的冲刷明显，到防洪工程处时，河道宽广，水流分散，水流挟沙能力逐渐减小，洪水中的悬移质泥沙逐渐沉积，河道输沙量逐渐减小。

5 结语

经过分析讨论，霍拉沟河道变化主要受洪水影响，经过三种方法洪水计算，洪峰流量计算的洪水最为准确，当洪水超过20年一遇时，挟沙能力加强。经过实地踏勘及洪水综合分析，霍拉沟出山口处的冲刷明显，到防洪工程处时，河道宽广，水流挟沙能力减小，洪水中的悬移质泥沙逐渐沉积，河道输沙量逐渐减小，所以工程可以顺利进行建设。