新疆库车河流域泥沙特性分析_王进.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 082新疆库车河流域泥沙特性分析王进(阿克苏水文勘测局，新疆 阿克苏 843000)摘要河流泥沙是水资源开发及涉河工程的建设的重要水文影响因素。为对新疆库车河流域泥沙特性进行研究，基于河流主要水量控制站兰干站近 40 余年水文观测资料，对库车河悬移质泥沙的含沙量、输沙量、泥沙年内和年际变化特征及河流水沙关系等特性进行分析，结果表明:库车河夏季冰川融雪和暴雨洪水期流速大，水量集中，水流挟沙能力大，是含沙量高峰期，含沙量与径流量变化基本一致，主要集中在汛期;泥沙输移与径流的变化关系密切，河流输沙量季节变化极大，汛期泥沙输移较多，枯水期则较少，来水条件是河流输沙量短期剧增的主要原因。分析结论以期为库车河水资源开发利用提供参考。关键词推移质泥沙;兰干水文站;库车河中图分类号P332 5文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0240 03收稿日期2022 09 05作者简介王进(1974 )，男，新疆阿克苏人，高级工程师，主要从事水资源调查评价、工程水文计算及水文信息化规划设计方面工作。河流泥沙作为重要的水文要素，按照运动形式分为悬移质泥沙、推移质泥沙和河床质泥沙三种，河流中三种泥沙之间没有明确的区分界限，平时随着河流的变化而相互转化，但一般情况下以悬移质为主，对河流水资源开发利用、流域规划及涉河工程建设具有重要影响1。因此，在进行河流水资源开发利用及涉河工程建设时，对河流泥沙运动趋势、特性进行分析至关重要。以新疆库车河水量控制站兰干站为例，该站为库车市库车河水量控制站，位于阿克苏地区库车市阿格乡兰干村，控制集水面积为 3 118 km2，于 1956 年 9 月设立，水文站观测项目为水位、流量、悬移质泥沙、水质、水温、气温、降水和蒸发。自建站以来，每年收集的各类水文资料均按照国家规范标准进行了测验整编，监测项目及长系列水文资料基本健全。本文基于该站基础水文资料，对库车河悬移质泥沙的含沙量、输沙量进行计算、对其年内年际变化特征及河流水沙关系等特性进行分析，以期为库车河水资源开发利用提供参考。1流域概况1 1地形地貌库车市北依科克铁克山，南濒塔克拉玛干大沙漠。总体地势变化为北高南低，次一级为自北西到南东由高到低。北部山地地区海拔最高为 4 553 m，而南部平原为 922 m，南北海拔高度差异较大，平均地形坡度为 18 81。库车河平原坡度在 7 27 0 46之间，东部的小河平原区为 1 56，南部冲积的塔里木河平原区，则是西高东低，地形坡度为0 33 0 25。河床宽浅弯曲，河流改道频繁，牛轭湖众多，并有零星沙丘分布。1 2气象条件1 2 1气温依据兰干气象站实测资料，多年平均气温为 11 3，多年平均最低气温为 5 5，平均最高气温为 17 8(见图1)，极端最低气温为 24 6，出现在 1967 年 1 月 5 日，极端最高气温为 40 8，出现在 2000 年 7 月 12 日，如图 2 所示。年内各月平均气温相对多年均值变化情况为 6 8 月份气温最高，1 月和 12 月气温最低。图 1兰干站 1961 2018 年平均气温图 2兰干站月平均气温柱状图1 2 2降水库车市位于西北内陆地区，多年降水量特别稀少。基于兰干气象站多年降水资料分析可知，1956 2018 年期间，其平均降水量为 73 7 mm。且降水量年内变化具有明显季节差异，其主要变化特征为夏季降水集中，降水量较多，而冬季偏少，初春和晚秋降水量最少。降水量大的季节降水相对稳定，而降水稀少的季节变率较大，稳定性差;降水年际变化呈现增加趋势(见图 3 和图 4)。图 3兰干站年降水量变化趋势图图 4兰干站多年平均月降水量柱状图1 2 3蒸发库车市气候干燥，蒸发剧烈，多年平均蒸发量 2 410 mm，年内蒸发主要集中在 4 9 月，占全年蒸发的 80 6%，冬季(12 翌年 2 月)蒸发最小，仅占 4 0%。随着气候变暖，冬季增温显著，相应蒸发量也有所增加，但因冬季蒸发在全年内所占比例较小，故对全年蒸发影响不大，也不会改变其年际变化趋势。0422023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.31 2 4日照时数库车市由于气候干燥，云量少，日照时间长。山区日照时间 2 800 多 h，日照百分率为 63%;平原区日照时间 2 947h，日照百分率为 67%，每年 4 月份风沙浮尘天气多，日照百分率低。2泥沙资料的选用及还原计算2 1悬移质泥沙资料选用兰干站站于 1957 年开始施测悬移质泥沙，观测至 2014年停测，期间有泥沙停测，实测资料年限为 41 年。其中 1957 1967 年、1985 2014 年资料较完整。2014 年后因上游修建铜场水库开始停测泥沙测验。泥沙测验严格执行河流悬移质泥沙测验规范(GB 50159 2015)标准，测验精度可靠。表 1兰干水文站悬移质泥沙选用一览表河流站名测站类型实测资料年份资料站年(年)资料精度库车河兰干基本1957 1967 年1985 2014 年41可靠2 1还原计算库车河铜场水库于 2006 年 10 月开始修建和运行至今，改变了兰干水文站测验河段的天然水沙特征，兰干水文站2006 2014 的泥沙资料已不为天然泥沙资料系列。因此，需对兰干水文站 2006 2014 年的泥沙资料进行还原计算。本次通过建立兰干水文站 1985 2005 年同期年径流量和年输沙量泥沙资料的相关关系，还原计算兰干水文站 2006 2014年天然泥沙资料。经分析，兰干水文站 1985 2005 年同期年径流量和年输沙量泥沙资料的相关关系较好，相关系数为0 84(见图 5)。图 5兰干水文站年径流量与年输沙量相关图2 2插补展延根据资料情况，本次选取的兰干水文站的泥沙资料范围为 1957 1967、1985 2014，缺测年份为 1956，1968 1984、2015 2018，缺测年份较长，不具备全部插补展延条件。本次以 1980 2018 年为统计时段，对兰干水文站泥沙资料进行统计分析。兰干水文站 1980 1984 年、2015 2018 年停测，通过兰干站 1985 2005 年输沙量资料与同期年径流量资料建立相关关系，以此插补展延兰干水文站 1980 1984 年、2015 2018 年年输沙量。同期年输沙量和年径流量的的相关程度较高，相关系数达到 0 84。插补展延后的兰干水文站具有1980 2018 年共计 39 年的输沙量泥沙资料系列。3河流悬移质含沙量3 1多年平均含沙量库车河发源于天山南坡，发源地区域即是径流形成区，也是泥沙的侵蚀源地，从发源河口一直到河流出山口，径流逐渐增大，输沙量也不断增加，在出山口处径流和输沙量均达到最大值。加之库车市气候常年干旱少雨，植被覆盖率较低，森林资源匮乏，在风的剥蚀和水吹刷的强烈作用下，在夏季的冰川融雪和暴雨洪水期，河流流速大，水量集中，泥沙含量随着水流迅速增加，水流挟沙能力最大，达到含沙量高峰期。基于多年观测资料统计的月平均含沙量见表 2。表 2月平均悬移质含沙量变化分析统计表河流库车河站点兰干月平均含沙量(kg/m3)1 月0 0582 月0 0873 月0 3114 月2 535 月4 056 月7 657 月11 78 月5 719 月1 3310 月1 1011 月0 04612 月0 045多年平均/kg/m36 463 2含沙量年内变化结合水文站统计的水量资料分析看，库车河主要来水量集中在夏、秋两季。这一时期的含沙量与径流量也集中，两者分布也相一致，都集中在汛期。但含沙量比径流量的集中程度高得多。从多年统计的含沙量资料看，兰干站最大月平均含沙量为年平均含沙量的 1 81 倍，最大月平均含沙量是最小月平均的 260 倍之多。详见表 3。3 3含沙量年际变化通过分析库车河的含沙量可知，含沙量年际变化差异较大，最大年与最小年含沙量极值变化较大，泥沙代表站含沙量年际变化特征值分析成果见表 4。4河流悬移质输沙量4 1多年平均输沙量库车河径流年内分配极不均匀，夏季水量集中，洪枯水量悬殊，这就决定了河流悬移质泥沙年内分配的不均匀性。洪水期水量集中，泥沙也相对集中。泥沙代表站多年平均月、年悬移质输沙量统计成果见表 5。4 2输沙量的年际变化库车河径流量的年内分配极不均匀，水量高度集中在夏季，洪枯水量相差几十倍、上百倍。河流年输沙量几乎由主要的几次洪峰决定，这也就决定了悬移质输沙量年内分配的极端不均匀性2。通过分析，库车河泥沙输移与径流的变化关系密切，汛期大量泥沙输移，而枯水期很少有泥沙搬运，来水条件是河流输沙量短期剧增的主要原因。兰干水文站 1980 2018 年年输沙量的不均匀系数 Cv 值为 0 60，表明该区域地表侵蚀强烈。兰干水文站 1980 142第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月2018 年年输沙量的 Cv 值是相应年径流量 Cv 值的 2 31 倍，表明河流的输沙量年际变化大于年径流量的年际变化，符合该区域河流的基本特征(见表 6)。表 3含沙量年内变化分析表站名最大月最小月含沙量最大年年最大平均含沙量/kg/m3出现月份平均含沙量/kg/m3出现月份最大月含沙量/kg/m3出现时间含沙量/kg/m3出现时间兰干11 77 月0 04512 月27 52010 63531966 8表 4泥沙代表站含沙量年际变化特征值分析表河流站名最大年最小年年平均含沙量/kg/m3出现年份年平均含沙量/kg/m3出现年份极值比库车河兰干16 420100 656200925 0表 5代表站月平均悬移质输沙量统计成果表河流库车河站点兰干月平均输沙量/104t1 月0 0492 月0 0793 月0 2414 月6 125 月24 16 月68 17 月1188 月48 09 月6 5410 月4 1411 月0 06712 月0 046年平均输沙量/104t276表 6库车河兰干站径流量及输沙量统计参数表站名年径流量统计参数悬移质输沙量统计参数Cv值比CvCs/CvCvCs/Cv输沙量/径流量兰干0 263 00 602 502 314 3输沙量的年内变化库车河兰干水文站 6 9 月径流量占年径流量 61 67%，6 9 月输沙量占年输沙量的 87 4%，说明河流输沙量季节变化极大。因此在修建水工建筑物时，考虑防沙治沙措施时，应充分注意这一特点，选用代表站输沙量季节变化成果见表 7。表 7输沙量季节变化统计表河流站名年均输沙量/104t最大 4 个月输沙量/104t出现月份最大4 个月输沙量占年输沙量比例/%库车河 兰干2762406 9 月87 45河流水沙关系分析河流输沙量与洪峰流量关系密切，一般洪峰流量较大的年份，输沙量也较大。但在河流下垫面条件、局部暴雨的影响下，河流产沙呈现地域差异性。从兰干站泥沙资料分析看，有时候河流水沙关系表现出不平衡特点，输沙量大的年份降水量却不大，或降水量大的年份沙量的增加幅度远大于水量的增加幅度，这也是库车河泥沙变化区别于其它的最大特点3。表 8输沙量、流量变化对比统计表河流站名输沙量/104t年平均最大最大年输沙量与年平均比最大流量与年平均比库车河 兰干2767582 751 77注:表中“最大流量与年平均比”一栏数据为 1980 2018 年系列统计值表 8 给出了泥沙代表站输沙量、流量变化对比统计结果，由表可以看出，库车市库车河、迪那河的最大输沙量与年均输沙量比为 2 75，最大年径流量与多年平均径流量的比值在1 77，说明库车市主要河流的输沙能力比较强，流域表面被侵蚀现象比较严重，水土流失显著。图 6 给出了库车市库车河 1980 2018 年年径流量和年输沙量过程，库车市库车河年径流量和年输沙量的变化趋势基本相同，呈现水沙同步状态4。图 6兰干站年径流量与年输沙量年际过程图6结语通过对库车河泥沙特性的研究可知，库车河在夏季冰川融雪和暴雨洪水期流速大，水量集中，水流挟沙能力大，河流泥沙含量迅速增加，是含沙量高峰期。含沙量分布与径流量相一致，主要集中在汛期，但含沙量的集中程度比径流量集中程度高得多。径流年内分配极不均匀，夏季水量集中，洪枯水量悬殊，这就决定了该河流悬移质泥沙年内分配的不均匀性。参考文献 1陆江 头屯河流域河流悬移质泥沙分析J 水利科技与经济2017 23(06):62 65 2韩兴胜 新疆尼雅河悬移质泥沙分析J 吉林水利 2017(04):16 19 3温守远 玉龙喀什河水沙关系特征初探J 水利科技与经济2013 19(05):76 77 4阿提克木库尔班 新疆和静县水资源开发利用中的问题与建议J 中国水运(下半月)2017 17(04):149 150+194242第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月