麻扎沟泥沙特性及河床演变分析

张卫东

（乌斯满水文站，新疆 库尔勒 841000）

1 概况

麻扎沟发源于南天山支脉的霍拉山南坡，是一条以积雪融水、降雨和地下水为主补给来源的山溪性河流，从河源至出山口河长47.2 km，出山口以上集水面积达365 km2。河流出山口以上为产流区，气候湿润；山口以下为径流散失区，降水量较少，气候干燥。年平均降水量为55.6 mm，最大年降水量为117.6 mm（1981年），最小年降水量为20.6 mm（1980年），年内降水量集中在夏季，5～8月降水量占年降水量的69.1%。

2 节点防洪工程

为提高当地防洪能力，减少洪水灾害，库尔勒市计划在麻扎沟引水闸至库尔楚与三十团交界处拟建防洪工程全长17.365 km，共分3段，分别为：麻扎沟引水闸下游500 m处新建防洪堤6.0 km，堤身设计为梯形砂砾石混合土土堤；南疆铁路泄洪桥处，末端至库尔楚与三十团交界处，为改建加固防洪堤，总长5.935 km，并新建砼护坡和基础；库尔楚与三十团交界处，防洪堤向下游延伸5.43 km至库尔楚的保护范围外结束，为新建防洪堤，总长5.43 km，堤身设计为梯形砂砾石混合土土堤，并新建砼护坡和基础。规划河道设防洪标准为10年一遇。

3 参证站泥沙特征

黄水沟水文站位于和静县黄水沟，于1964年1月开始进行河道泥沙观测，测站以上集水面积4311 km2。黄水沟与麻扎沟距离不远，区域地形和气候特征相像。所以，以黄水沟为参证站进行麻扎沟河道演变分析。在1964～2008年期间，黄水沟有1964～1972年、1980～2008年36年的实测资料，其中1967年、1968年、1972年和1980年部分月份缺测。本次采用参证站1981～2008年28年的实测资料来分析计算悬移质泥沙特征。

3.1 悬移质泥沙的年际、年内变化

用黄水沟水文站1981～2008年实测悬移质泥沙资料，分析说明黄水沟的悬移质泥沙的年际、年内变化特征。

3.1.1 悬移质含沙量的变化特征

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。由于黄水沟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。据统计资料显示，黄水沟水文站多年平均含沙量为0.933 kg/m3，历年最大实测含沙量34.9 kg/m3。

3.1.2 悬移质输沙量的变化特征

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。参证站多年平均悬移质输沙量统计见表1。

表1 参证站1981～2008年悬移质输沙量特征统计表

黄水沟水文站1981～2008年多年平均年径流量为3.193×108m3，多年平均年输沙量为29.47×104t，多年平均输沙模数68.36t/km2，历年悬移质输沙量系列中，最大年是最小年的178倍。

3.1.3 悬移质输沙量的年内分配

黄水沟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。黄水沟水文站连续最大四个月输沙量出现在夏季5～8月，其输沙量占年输沙量的99.11%以上；最大月输沙量基本出现在7月份，占年输沙量的69.9%。参证站输沙量年内分配见表2。

表2 参证站输沙量年内集中程度统计表

4 麻扎沟泥沙特性分析

4.1 麻扎沟出山口多年平均输沙量分析

4.1.1 悬移质输沙量

麻扎沟流域无泥沙实测资料，在估算输沙量时，采用黄水沟流域黄水沟水文站多年平均悬移质泥沙资料推算。因麻扎沟和黄水沟流域的气温、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。直接移用黄水沟水文站的多年平均输沙模数（Ms黄=68.38 t/km2），作为麻扎沟处山口处的多年平均输沙模数，将黄水沟水文站的选用参数代入公式：

Ws麻=Ms黄×F麻

式中，Ws麻为麻扎沟处山口处多年平均悬移质输沙量，t；F麻为麻扎沟处山口以上集水面积，km2；Ms黄为黄水沟水文站多年平均悬移质输沙模数，t/km2。

4.1.2 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：

S=βR

由于麻扎沟流域汇流坡降与河道坡降较大（河道坡降为48‰），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，造成麻扎沟流域洪水时水流含沙量高。河床质多由砂石组成（3～10 cm的砂石约占50%），颗粒级配及不均匀。相比之下麻扎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，拟建引水闸处的冲淤变化明显。因此，麻扎沟处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。

水文比拟法计算的多年平均悬移质输沙量2.495×104t，经式计算得多年平均推移质输沙量为0.499×104t。麻扎沟处山口处输沙总量为2.994×104t。

4.1.3 计算结果分析

虽然麻扎沟出山口处的集水面积和年径流量与黄水沟水文站相差较大，但两流域都主要以降水形成洪峰流量，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。为工程设计安全考虑，选择黄水沟水文站的输沙模数，用比拟法推算的结果较可靠。

4.2 流域输沙量沿程变化

麻扎沟平时水流清澈，河道中的泥沙主要来自于洪水，一年中汛期洪水中的泥沙占全年的99%以上。由于麻扎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，麻扎沟出山口处河床质多由砂加卵石组成（卵石直径在10～30 cm的约占50%），且部分河床处基岩出露。出山口处的冲刷明显。在314国道公路桥附近，河床质多由戈壁砂石组成，河道内沟汊众多，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。麻扎沟出山口以后河段水量逐渐减小，河道坡降逐渐减小，河道输沙量逐渐减小。

5 规划河段河床演变分析

5.1 麻扎沟引水闸附近河段

根据不同时期资料对比和实地踏勘情况，该段河道受两岸山体的约束，在50～80 m的河床中水流主槽顺直，两边河岸高2.5 m，断面最大冲深达3.5 m。每次洪水前后河道内冲淤变化不明显，从河床总的变化趋势来看，呈逐渐下切的变化趋势，河床深切两岸山体基岩中。

5.2 麻扎沟出山口至分水口河段

此段河道，水流沿山前洪积扇向下流动，平均坡降在40‰左右，水流主槽在河道中左右摆动，呈大的右倾弯道，河床逐渐增宽，分水口断面处两边沙石河岸高1.2 m，断面最大冲深达1.7 m。分水口以下，水流左右摆动，形成两条较大的冲洪沟。在宽阔的河床中由形成众多水流主槽。从河道冲淤变化和泥沙颗粒级配情况来看，河流从出山口冲泻的较大的推移质卵石，大部分堆积在该段河道中，河床主要由戈壁砂石组成。

5.3 麻扎沟分水口至314国道公路桥河段

此段河道平均坡降在35‰左右，由于水流主槽在河道中左右摆动，分水口以下河道分为东、西两条较大的岔沟，东支河道比西支要宽。沿东支河道向下，河道又分成4条水流冲沟和众多的水流主槽，呈扩散状分布在山前洪积扇地带，在314国道公路上分布着4座较大的公路桥和7处过水涵洞。

沿西支河道向下，河道又分成两条水流冲沟，两条冲洪沟在东西支分水口以下2.0 km处会合，形成宽阔的河槽。在西支铁路桥上游2.05 km节点处，水流主槽左右摆动，两边河岸无明显冲刷，河岸高出河床约1.5 m，断面最大冲深达1.9 m；西支铁路桥处，河床宽度在500～600 m，水流在宽阔的河床中形成众主河槽，水流主槽左右摆动。在此有两座较大的铁路桥，目前铁路桥上游两边河岸为人工修筑的导流土堤，土堤高出河床约1.2 m，断面最大冲深达2.0 m（相对于堤顶高差）；西支河道在314国道公路上分布着2座较大的公路桥和3处过水涵洞，目前两座较大的铁路桥上游，两边河岸为人工修筑的导流土堤，导流土堤一直延伸到铁路桥处，土堤高出河床约1.5 m。314国道公路桥节点处，水流主槽左右摆动，两边河岸无明显冲刷，断面最大冲深达2.2 m（相对于堤顶高差）。

从河道冲淤变化和泥沙颗粒级配情况来看，河流从出山口冲泻的较大的推移质泥沙，大部分堆积在山前洪积扇地带，从洪积扇上缘至洪积扇下缘，泥沙颗粒级配逐渐变小。在洪积扇下部的边缘地带，河床主要由戈壁砂石组成，水流逐渐分散，河道逐渐增宽。

5.4 314国道公路桥以下河段

此段河道，在洪积扇以下，冲积平原的边缘地带，河道平均坡降在11‰左右。水流主槽左右摆动，河道逐渐增宽，自然河道下切较浅，河床最大冲深达0.5 m。目前河道为人工修建的泄洪渠。为保护314国道公路以南耕地，在314国道公路以南200 m左右，沿公路修建了一条东西走向的防洪土堤，将主河道两边分散的洪水逐渐疏导至泄洪渠内。

6 结语

经过分析论证，麻扎沟引水闸附近河床呈逐渐下切的变化趋势，麻扎沟出山口至分水口河段淤积较重，麻扎沟分水口至314国道公路桥河道逐渐增宽，下切较浅，河水摆动较大。总体来说，三处河段河槽变化不太大，不会影响到堤防建设，所以工程可以顺利实施。