木扎提河悬移质泥沙特性及输沙量探析

周海龙

（阿克苏水文勘测局，新疆 阿克苏 843000）

0 引言

天然河流在径流形成和运行过程中，常挟带不同程度的泥沙颗粒，造成河床淤积、河道改变，给防洪、灌溉及水利建设带来不同程度的影响。新疆木扎提河属于渭干河流域，发源于天山南麓，北起天山山脉，南至塔克拉玛干沙漠，流域海拔最高点6769 m，最低点1160 m，河流全长242 km，年径流量14.41×108m3，末端最终流入克孜尔水库。分析研究木扎提河流泥沙特征对整个流域水资源开发利用、防洪工程建设和社会生产具有重要意义。

1 参证站泥沙代表性分析

木扎提河上有托克逊水文站，位于新疆拜城县托克逊乡，建于1986年，是克孜尔水库入库洪水水情信息站，流域集水面积14767 km2。托克逊水文站泥沙为二类精度，悬移质泥沙项目观测从1987年开始至今，有完整的30年（1987年～2017年）资料系列长度。由于木扎提河托克逊站没有推移质泥沙监测项目，故仅以悬移质含沙量和输沙量为主，做木扎提河泥沙分析。

通过对木扎提河托克逊站1987年～2008年悬移质输沙量不同系列长度均值及CV距法估计值和相对偏差比较，当系列长度达到18年时，悬移质年输沙量均值相对误差小于±2.0%。当系列长度达到21年时，悬移质年输沙量CV值趋近0.99，CV值相对误差小于±3.0%，悬移质年输沙量均值趋近912×104t。通过绘制托克逊水文站模比系数差积曲线图可知，自1987年以来输沙量系列包含了丰、平、枯三个变化过程。1989年～2001年的悬移质年输沙量在均值之下，为一个较长时期枯水年群；2002年～2006年的悬移质年输沙量在均值之上，是一个丰水年群；1987年～1988年、2007年～2008年为平水年群，其多年平均输沙量基本趋于稳定。由此认为木扎提河托克逊站悬移质泥沙系列具有一定的代表性，可作为木扎提河参证站，进行泥沙分析。

2 悬移质泥沙时空分布及影响因素分析

影响河流挟沙能力的因素有气候、下垫面、土壤等，其中气候因素中影响最大的是风和降水，其次是流域地表的冻融破坏状况。发源于汗腾格里峰东坡大陆冰川区的木扎提河，以冰川融水补给为主，其上游冰川广布，冰河蜿蜒。在地貌单元上，由北向南可分为侵蚀中高山、剥蚀低山丘陵、山前堆积地形，其间还分布着山间断陷盆地—拜城盆地，地貌形态复杂多变，呈北高南低的地形特征，流域内松散碎屑物质多。流域内植被稀少，气温随高程变化而降低、河道流程长、盛行北风，其中最大风速24 m/s，年平均风速1.9 m/s。夏季降雨频繁。这些因素造成木扎提河悬移质泥沙年内分配极不均匀，且主要集中在洪汛期进行输移。随着径流的变化，河道中含沙量年内和年际变化均较大。

木扎提河托克逊水文站实测系列年含沙量在0.616 kg/m3～15.4 kg/m3之间。其径流量年际变化较大的主要原因是：区内秋冬为低温天气，风沙沉积，春夏季节，随着气温升高，冰雪融化，河道径流增加，河川径流含沙量增大。加之夏季大风较多，并伴有沙尘。当发生暴雨洪水时，水流集中，流速大，水流挟沙能力加强，使得河流含沙量因流域气候的干旱程度及暴雨洪水强度的增加而在短期内剧增。木扎提河托克逊水文站多年平均含沙量为3.21 kg/m3，实测最大含沙量283 kg/m3，出现在2002年7月，年平均最小含沙量为0.616 kg/m3，出现在2011年。

从表1可以看出：冬季随着气温下降，流域表面被积雪覆盖，坡面产沙停止，河流含沙量也较小。随着气温的回升大地解冻，地表土壤结构变得松散，在季节性积雪消融和夏季雨洪的推动下，大量泥沙汇入河流，河道的输沙量急剧增加。从而可知，悬移质含沙量的变化与河道来水量关系密切，因此泥沙变幅更加剧烈。

表1 悬移质多年平均含沙量统计表 单位：kg/m3

3 悬移质输沙量分析

3.1 托克逊水文站悬移质输沙量

统计木扎提河托克逊水文站悬移质多年平均输沙量见表2，可知，木扎提河的输沙量随着河道径流量、含沙量的大小变化而变化。木扎提河托克逊站多年平均径流量为22.47×108m3,多年平均输沙率为247 kg/s，多年平均输沙量为779×104t，历年实测日最大悬移质输沙量为4750×104t，为2002年7月23日。悬移质输沙量与含沙量变化基本一致，输沙量主要集中在汛期的6月～8月，非汛期所占比重很少，

表2 悬移质多年平均输沙量统计表

3.2 悬移质输沙量的年内分配

木扎提河托克逊站悬移质输沙量与含沙量变化基本一致。夏季输沙量高度集中。统计木扎提河托克逊水文站30年的实测悬移质泥沙资料，可知：连续最大四个月输沙量集中在5月～8月，占多年平均输沙量的93.7%，最大月平均输沙量均出现在7月份，占到年输沙量的45.1%；最小月输沙量多出现在1月份，最大月输沙量是最小月输沙量的190倍；四季中，夏季6月～8月输沙量，占多年平均输沙量的89.3%,冬季12月～2月输沙量最小，仅占多年平均输沙量的0.8%。

可见木扎提河悬移质泥沙年内变化大和集中程度很高，其集中出现于河川径流量最大的夏季，该现象对流域内的水利工程设施运行,灌区水资源的合理配置利用造成严重影响。尤其是多沙年份，输沙量年内分配极不均匀，比径流量的年内变化大得多，输沙量的年内集中程度也远远大于径流量的集中程度。

3.3 悬移质泥沙含沙量、输沙量年际变化

木扎提河受流域内植被覆盖率、土壤特性、下垫面条件以及气候的干旱程度和暴雨洪水大小、频次等因素的影响，其含沙量和输沙量年内分配极不均匀，主要集中在夏季，年内和年际变化均较大。最大年含沙量是15.4 kg/m3，最小年含沙量0.616 kg/m3，最大年是最小年25.0倍，最大年输沙量是4750×104t，最小年输沙量152×104t，最大年是最小年的31.3倍。

木扎提河输沙量的年际变化差异与河川径流量的补给形式有密切的关系，特别是局部暴雨洪水，将直接影响河流输沙量的大小。木扎提河的大洪水和特大洪水，主要由融雪洪水叠加了暴雨洪水后形成了混合型洪水。这种洪水具有挟沙量大的特点。2002年“7·23”木扎提河托克逊水文站发生了有历史实测资料以来的最大洪水，7月21日～28日场次洪水总入库输沙量4268.7×104t，场次洪水输沙量是历年7月总输沙量的10.4倍，占当年7月总输沙量的99%，占当年6月～8月总输沙量的70%，这场洪水带来的泥沙增加了克孜尔水库泥沙的淤积量。

从木扎提河托克逊水文站水沙对应关系图（图1）中看出：丰水年基本对应丰沙年，水、沙年变化过程相对应，沙量与水量的增减关系密切，但沙量的变化幅度比水量的变化幅度大的多。

图1 木扎提河托克逊水文站水沙变化过程线图

木扎提河输沙量的大小与河流补给形式也有密切的关系，特别是2002年7月23日木扎提河受中浅山区暴雨及中高山区积雪不断融化的影响，导致暴雨和融雪型混合型的洪水的发生，洪水历史排位第一，输沙量历史排位第一。

3.4 输沙模数分析

输沙模数是研究土壤侵蚀程度的重要指标。其大小主要由河流径流量的大小、暴雨强度、流域坡度、植被覆盖度及地质条件所决定。木扎提河在冰川的强烈剥蚀作用下，大量的冰川融水携带了高山区的疏散冰碛物，再加中低山带广泛分布着中生代第三系沉积岩，在夏季暴雨洪水冲蚀下，大量冰碛物、泥岩碎屑被带入河道，根据托克逊水文站监测资料，其30年的输沙模数均值达1588 t/km2，是渭干河流域河流中输沙模数最大的河流。这也足以说明木扎提河含沙量大，应引起重视。

3.5 推移质泥沙估算

由于木扎提河托克逊站没有推移质泥沙资料，该站推移质泥沙采用有关经验公式估算。计算公式如下：

式中：Wt为推移质输沙量，万t；Wx为悬移质输沙量，万t；Β为推移质输沙量与悬移质输沙量比值。

在水文分析计算中，河流推移质输沙量与悬移质输沙量比值β的取值通常为：平原河流取0.01～0.05；丘陵区河流取0.05～0.15；山区河流取0.15～0.30。依据上述适用条件与取值范围，并根据木扎提河的实际情况，本次计算β取值0.15。由公式（1）估算出托克逊水文站（1987年～2008年）年平均推移质输沙量为136.7×104t，见表3。

表3 木扎提河托克逊站1987年～2008年平均推移质输沙量统计表 单位：104 t

4 结语

河流含沙量的大小及分布反映了流域下垫面的侵蚀程度、汇流特性、降雨强度、河流径流特性及人类活动影响。木扎提河是渭干河最大的支流，其年输沙量也最大。本文通过对木扎提河悬移质泥沙的时空变化分析可看出：木扎提河输沙量的年内集中程度也远远大于径流量的集中程度，输沙量最大年份连续最大四个月输沙量占到年输沙量的99.1%，年内分配极不均匀，年平均推移质输沙量为136.7×104t，在引水及防洪工程建设中，要充分考虑泥沙带来的影响。