新疆渭干河部分流域河流泥沙分析

(新疆阿克苏水文勘测局，新疆 阿克苏 843000)

渭干河流域由木扎提河、卡普斯浪河、台勒维丘克河、卡拉苏河、克孜尔河5条支流汇合而成，均源于天山南坡，单独出流，汇集于拜城盆地克孜尔水库。河流泥沙是反映河川径流质量的重要指标，同时也是反映流域水土流失的严重程度及河流水质的物理特性，它对水资源的开发利用、各种水利水电工程建设、管理及正常运行都有很大的影响，影响河流泥沙大小的主要因素是气候因素和下垫面条件，同时还受测验手段和精度的影响。气候因素包括流域的气温、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。

河流泥沙一般包括溶解质、悬移质和推移质三部分，渭干河由于气候干燥，风力强劲，气温日较差大，故风化作用较强。尤其是在缺少植被保护的低山地带和高山冰川侵蚀的冰缘地带，在暴雨和冰雪融水作用下，易产生暴雨洪水泥石流，将大量泥沙带入河流，成为河流泥沙的主要来源。河流主要补给来源不同，对于流域产沙有着不同的影响。暴雨补给比重大的河流，洪水陡涨陡落，沙峰大，底沙运动也很强烈，甚至可出现泥石流；一般融雪水补给的河流，底沙形成过程缓慢，产沙量少，但有冰川融水洪水的河流，有时可产生冰川泥石流，其含沙量也大；地下水补给的河流和经过湖泊调节后的河流含沙量也小。渭干河夏季径流主要来源由冰雪融水和降水补给，由于汇流区植被稀疏，地表受洪水的强烈冲刷，河源至出山口段坡降较大，使各河流有较强的挟沙能力。

1 河流含沙量分布及输沙量

1.1 观测站点情况

渭干河部分流域有悬移质泥沙项目观测的水文站分别是破城子站、卡木鲁克站、卡拉苏(三)站、黑孜(三)站、托克逊(二)站、黑孜水库 (二)站6个站，如图1渭干河流域水系及测站分布图,采用1980—2010年31年水文站河流悬移质泥沙资料系列进行统计分析见表1。

1.2 含沙量分布概况

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、降雨强度及河流径流特性等。渭干河流域高山区大都有冰川覆盖和永久性积雪分布，是径流的主要形成区；中高山区降水量大，汇流迅速，从中高山至低山，植被和地质条件逐渐变化，是河流的主要产沙区。渭干河是天山南坡3条大河流之一，干流木扎提河发源于西天山山脉汗腾格里峰东侧的喀拉库勒冰川，流经拜城盆地汇集了卡普斯浪河、台勒维丘克河、卡拉苏河、克孜尔河后称渭干河。各河流含沙量受流域内植被覆盖率和土壤特性等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，不同河流含沙量相差较大， 渭干河部分流域山区水汽主要来源于西北路径，由于山体对气流的强迫抬升，常在渭干河中低山带发生暴雨。暴雨洪水期河流水量集中，水流流速大、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。根据选用站资料统计分析见表2。

表1 渭干河部分流域悬移质泥沙分析选用站资料情况统计表

图1 渭干河流域水系及测站分布图

河流多发源于高山区,河流含沙量受流域内植被覆盖率和土壤特性等下垫面以及气候干旱程度、暴雨和洪水大小频次等因素的影响，各河含沙量相差比较大。从表2中可以看出，渭干河上游各支流中，木扎提河的含沙量最大。在表3中，木扎提河冰川覆盖度达42.9%，冰川融水占年径流比重达56.8%，是一条以冰川融水补给为主的河流，该河发源于托木尔峰东侧，山区地势高昂，冰川林立，冰川的刨蚀和寒冻风化作用比较严重，流域内松散碎屑物质多，致使冰川雪融水的洪水期河流挟沙多。克孜尔河多年平均含沙量6.25 kg/m3，是因为该河流径流冰雪融水补给相对较少，夏季暴雨频发区，河流两岸大量风化岩石、沙土和堆积在两岸的黄土被洪水带入河中，故有较多的泥沙直接进入河流。

表2 渭干河部分流域主要河流悬移质含沙量统计表

表3 渭干河部分流域主要河流要素对照表

1.3 主要河流输沙量

受地质构造和气候因素的综合影响，各河流左右岸河网发育不均匀，由于天山南坡各河右岸多处在迎风坡上，致使右岸河网较左岸发育。冬季流域表面被积雪覆盖，坡面产沙停止，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，大量泥沙汇入干流，河道的输沙量急剧增加。各站的输沙量随着河流径流、含沙量及流域面积的大小变化而变化，河流径流量大，其输沙量也就大，表4反映了渭干河各河流这一特性。

(1)木扎提河。是渭干河最大的支流，其年输沙量也最大。流域内地表植被发育较好，矿藏资源丰富，山区基岩风化侵蚀强烈。河流补给组成中，冰川覆盖度占42.9%，冰川融水占56.8%，多年平均径流量14.40×108m3，多年平均年输沙量475×104t，2008年输沙量964×104t为历年最大值。

(2)卡普斯浪河。该河是渭干河第二大支流。上游有多处煤矿和电站， 森林资源和大面积草牧场受人为因素的破坏, 山区植被发育差。河流补给组成中，冰川覆盖度占16.3%，冰川融水占44.8%，多年平均径流量6.748×108m3，多年平均年输沙量168×104t，1999年输沙量756×104t为历年最大值。

(3)克孜尔河是渭干河支流中直接进入克孜尔水库的河流，水文断面地处黑孜尔乡。山区野生植被稀少，多为裸露的戈壁滩，径流以降水补给为主。河流补给组成中，冰川覆盖度1.3%，冰川融水占河流年径流量的12.4%，多年平均径流量3.547×108m3，多年平均年输沙量240×104t，2002年输沙量1 410×104t为历年最大值。

表4 渭干河部分流域主要河流悬移质实测输沙量统计表

2 输沙量的年内分配及年际变化

2.1 输沙量的年内分配

渭干河是一条泥沙较多的河流，河流悬移质泥沙年内分配很不均匀。夏季气候干燥，加上地表岩石物理风化强烈，冰雪融水和局部暴雨洪水携带大量泥沙进入河流，使得河流夏季输沙量高度集中。选用站连续最大四个月输沙量多集中在5—8月，多年平均最大四个月输沙量占多年平均年输沙量的98.0%以上，输沙量年内集中程度最高的是卡木鲁克站，高达99.5%。最大月平均输沙量均出现在7月份， 占到年输沙量的40%以上；最小月输沙量多出现在1月份或12月份，部分年份的1—2月、10—12月平均输沙量甚至为零。最大月平均输沙量可达年平均输沙量的几十倍，可见渭干河泥沙年内变化之大和集中程度很高，这对水利工程设施运行非常不利。根据实测资料，渭干河主要河流输沙量的年内集中程度见表5。

2.2 输沙量的年际变化

渭干河主要河流的多沙年份中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。如木扎提河输沙量最大年份连续最大四个月输沙量占到年输沙量的98.9%。虽然各河为同一流域，但出现最大年输沙量的时间并不同步。由此可以说明，河流输沙量的大小与河流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。河流输沙量的年际变化规律与流量的变化规律相一致，径流量年际变化大的河流输沙量变化也大，径流量年际变化小的河流输沙量变化也小。极值比为历年年最大输沙量与历年年最小输沙量值之比。从渭干河部分流域主要河流输沙量年际变化统计表6中可以看出，渭干河各支流输沙量的年际变化都较大，最大年输沙量与最小年输沙量的比值为4.6～133倍，Cv值在0.56～0.99之间，克孜尔河黑孜站输沙量最大年与最小年输沙量的比值达133倍，其输沙量Cv值为0.99，反映出克孜尔河输沙量年际变幅较大；年际变化最小的木扎提河破城子站，最大年与最小年的比值仅为4.6倍，输沙量Cv值为0.56。这主要是渭干河部分流域局部暴雨洪水年际间差异较大所致。

用年输沙量的时段平均模比系数K来反映河流输沙量的不同时段年际变化。从表7可看出，1980—1989年河流输沙量的时段平均模比系数在0.50～0.79之间，黑孜站时段模比系数为0.50，破城子站时段模比系数为0.61，卡木鲁克站时段模比系数为0.79；1990—1999年河流输沙量的时段平均模比系数除破城子站和卡木鲁克站分别为1.05、1.24外，黑孜站时段模比系数为0.85；1999—2010年河流的时段平均模比系数，黑孜站时段模比系数高达1.59，破城子站和卡木鲁克站分别为1.31、0.98。

表5 渭干河部分流域主要河流输沙量年内集中程度统计表 104t

表6 渭干河部分流域主要河流悬移质输沙量年际变化特征表

表7 渭干河部分流域主要河流不同时段输沙量及模比系数统计表

根据渭干河部分流域主要河流泥沙资料分析不同年代输沙量的变化发现，80年代河流输沙量均小于90年代及最近几年，进入90年代，随着社会经济的飞速发展，出现了不考虑自然环境承载能力的过度开发现象，使生态环境出现恶化的趋势。地表植被的被破坏，加之此期气温普遍升高，中低山带暴雨洪水频繁(1990—2010年)，使得1990—2010年之间暴雨洪水不间断的出现，导致河流泥沙的增加。如克孜尔河黑孜站三个时段的输沙量变化就说明了这一问题，1980—1989年黑孜站10年平均年输沙量为120×104t；1990—1999年黑孜站10年平均年输沙量为203×104t，是80年代输沙量的2倍；进入21世纪初期，2000—2010年黑孜站11年平均年输沙量为383×104t，是80年代输沙量的3倍。特别是渭干河部分流域“2002.7”特大洪水，克孜尔河黑孜站经历了有实测资料记载以来居第一位的年输沙量1 410×104t。

综上所述，从渭干河主要河流时段输沙量模比系数分析可以看出，1980～1989年时段输沙量模比系数均小于0.8，1990～1999年时段输沙量模比系数均大于0.8，而2000～2010年时段输沙量模比系数明显大于前两个时段。由此说明90年代后，渭干河输沙量具有明显增多的趋势。以“模比系数大于1.5为丰沙年，小于0.75为枯沙年，在0.75～1.5之间为平沙年来统计渭干河部分流域泥沙的年际变化特征，见表8。

由8表可见，破城子站平沙年年份最多，枯次之，丰沙年最少，克孜尔河枯沙年最多，平沙年次之，丰沙年最少。根据克孜尔河黑孜三(站) 31年实测资料分析，丰沙年(K>1.5)的年输沙量可达3 343×104t，占总输沙量的44.9%；平沙年(K=0.75～1.5)的输沙量为2 246×104t，占总输沙量的30.2%；枯沙年(K<0.75)的输沙量为1 515×104t，占到总输沙量的20.3%。这再一次证明渭干河部分流域主要河流悬移质泥沙是由暴雨洪水造成的。

表8 渭干河部分流域主要河流输沙量1980-2010年变化特征统计

3 悬移质输沙总量

木扎提河、卡普斯浪河及克孜尔河3条河流1980—2010年31年多年平均悬移质输沙量之和为883×104t，见表9。而这3条河流的年径流量之和占到渭干河部分流域年径流量86%以上，3条河流的悬移质输沙总量

可以代表全流域的多年平均悬移质输沙总量。

表9 渭干河悬移质输沙总量计算表

4 输沙模数的地区分布

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。渭干河流域北部依着天山，形成了复杂多样的地貌形态。山区是径流形成区同时也是泥沙的侵蚀源地。由于各河下垫面土壤结构、植被覆盖度、流域坡度等因素不同，输沙模数的差异性比较明显。渭干河流域自西向东输沙模数逐渐减小，最西边的木扎提河位于天山中西部最大的托木尔冰川区内，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，31年的输沙模数均值达1 670 t/km2，是渭干河部分流域河流中输沙模数最大的河流；卡普斯浪河河流短小，植被较差，输沙模数值为916 t/km2；输沙模数值最小的是克孜尔河，该河多年平均年输沙模数值为718 t/km2。从表10和图2可以看出，渭干河流域各支流输沙模数的大小主要取决于各河径流量的大小，一般来说，径流量大的河流，其输沙模数也大，基本符合不同径流补给源的河流泥沙受诸多因素影响的分布规律。

图2 各观察站输沙模数变化图

河流名称控制站多年平均年输沙量/104t多年平均年输沙模数/t/km2木扎提河破城子4751670卡普斯浪河卡木鲁克168916克孜尔河黑孜(三)240718

5 结语

从整体来看渭干河流域河流泥沙对于河流的水情及河流的变迁有着重大的影响，并能直接影响河床变化，引起水库、渠道的淤积，给防洪、灌溉、供水带来困难，各河输沙模数普遍较高，说明渭干河流域受侵蚀较为严重。输沙模数大的原因一方面是流域坡降大，坡陡流急，产沙区低山带广泛分布着易受侵蚀的泥岩、沙岩，而且植被覆盖度差。另一方面是平原区人类不合理开荒、乱采滥挖，沙化严重，生态环境恶化，以及对水资源不合理的利用，加之水土流失有加剧趋势。