塔里木河干流上游河段造床流量计算分析

陈 瑞

（新疆塔里木河流域干流管理局吐皮塔西提管理站，新疆 库尔勒 841000）

0 前言

造床流量是天然河道中表征河床特征和河槽基本尺度的特征流量，对于无防洪规划的平原区河段，河段造床流量对应的水位与陆域的交线用来作为岸线控制线的临水线[1]，而临水控制线用来指导河道生态空间管控，因此确定河段的造床流量则成为了划定河段临水控制线的基础性工作。为了更好地保护和利用河道（湖泊）岸线的空间，实现生态的可持续性发展，新疆维尔自治区于2018年启动河湖岸线划定工作，由于南疆地区大部分河段都属于平原区河段，并且很多河段还未做防洪规划，此外以往对南疆平原区河段造床流量研究较少，能够指导划定工作的例子有限，因此全面了解不同河段的造床流量指导此次划定工作则显得比较重要。本文选择南疆塔里木河干流上游两个典型河段，采用马卡维也夫法计算分析相应河段造床流量。

1 塔里木河干流基本情况

塔里木河干流位于塔里木盆地北缘，起始于阿克苏河、叶尔羌河以及和田河交汇处，归宿于台特玛湖，河长1312 km，属于典型的平原区河段，其中阿拉尔-英巴扎河段是干流上游河段，全长486 km，英巴扎-卡拉河段是干流中游河段，全长398 km，卡拉-台特玛湖河段为干流下游河段，全长428 km。

塔里木河干流流域面积1.76万km2，流域内降雨量小，蒸发量大，多年平均降水量17.4 mm～42.8 mm，多年平均蒸发量1125 mm～1600 mm，属于大陆性暖温带极端干旱气候。目前塔里木河干流径流主要来源于支流阿克苏河、叶尔羌河以及和田河上游山区的冰川融雪，夏季以融雪型洪水为主，汇合口多年平均径流量[2]46.5亿m3，其中阿克苏河径流量约占74%，叶尔羌河径流量约占0.51%，和田河径流量约占21%，汇合口以下塔里木河干流流域无大的支流汇入，流量沿程逐渐减小。

此外由于塔里木河干流流域耕地的大面积开发，对流域水资源的过度利用，导致塔里木河干流中下游出现断流现象，下游台特玛湖水面消失，严重威胁流域的生态环境，2000年以后塔里木河干流实施流域综合治理，用开都河的水经博斯腾湖利用扬水泵站输入到塔里木河干流，实现生态输水，台特玛湖重新出现了500多km2的湖面，截止2019年春季已输水19次，输水总量达到了70多亿m3，有效补充了干流中下游河道水量。

图1 塔里木河流域示意图

2 造床流量的计算分析

2.1 马卡维也夫法

此法由俄罗斯学者马卡维也夫提出，具体的求解过程如下[3]：

1）将计算河段历年实测流量分为若干相等的流量级，并计算该级流量的平均值Q。

2）确定各级流量级出现的频率P。

3）绘制河段流量-比降关系曲线，并确定各级流量相应的比降J。

4）绘制Gs-Q的关系曲线，得出曲线的指数m。其中Q为该级流量的平均值；Gs为与Q相应的实测断面输沙率。

5）算出每一级流量相应的QmJP乘积值，绘制QmJP-Q关系曲线图。

6）从图中查出QmJP的最大值，相应于此最大值的流量Q为造床流量。

马卡维也夫法对于水文资料的要求较高，要有多年实测的流量过程、河段的纵断面比降及断面输沙率资料。

2.2 塔里木河干流上游造床流量计算

塔里木河干流上游建有阿拉尔水文站和新其满水文站两个国家基本站，阿拉尔水文站是塔里木河干流上游起始控制站，新其满水文站是塔里木河干流上游中断控制站，两站相距189 km，两站都有长期观测的水文资料，满足马卡维也夫法理论的要求。为了确保计算结果具有可比性，消除相同因素的影响，在造床流量计算中，阿拉尔水文站和新其满水文站都选取1980年～2014年汛期实测流量和断面输沙率资料作为样本数据，此外生态输水是在新其满水文站以下，对样本数据不产生干扰。

根据多年实测流量资料，阿拉尔河段流量范围为700 m3/s～2500 m3/s，采用50 m3/s为步距，将流量分为50个区间；新其满河段流量范围为400 m3/s～1800 m3/s，采用50 m3/s为步距，将流量分为28个区间，将实测流量样本数据按照大小进行统计排序，计算出每个流量区间段内数据的算术平均值Q和该流量区间段内流量数据个数所占样本总数的频率P，部分Q和对应P的值见表1。

表1 部分各级平均流量Q和对应的频率值P

将阿拉尔河段、新其满河段流量Q和输沙率Gs的数值进行拟合，拟合曲线见图2、图3。

图2 阿拉尔河段Gs-Q拟合曲线

图3 新其满河段Gs-Q拟合曲线

图2 、图3分别为阿拉尔河段及新其满河段Gs-Q拟合曲线方程，由曲线方程的指数可以得出阿拉尔河段m值为2.2，新其满河段m值为1.68，根据胡春宏等人[4]关于塔里木河干流泥沙的研究，阿拉尔河段m拟合值为1.9，新其满河段m拟合值为1.8，同时按照马卡维也夫理论[3]平原区河段m值可以取2，因此本次拟合出来m值符合基本情况。

按照马卡维也夫法的理论，河段比降J应为平均流量Q对应的比降。因塔里木河干流属于典型平原区河段，根据多年对河道纵断面实测资料发现，阿拉尔至新其满河段河势会出现游荡型变化，但各级流量下河道比降J变化不大，实测资料中阿拉尔河段比降J为2.52‰，新其满河段比降J为1.78‰～1.96‰，造床流量计算中阿拉尔河段J=2.52‰，新其满河段J=1.87‰。

根据马卡维也夫法各参数，点绘出阿拉尔河段、新其满河段Q-QmJP关系曲线，见图4、图5。根据图上的峰值，可以读出阿拉尔河段造床流量为1300 m3/s，新其满河段造床流量为1100 m3/s。

图4 阿拉尔河段Q-QmJP关系曲线

图5 新其满河段Q-QmJP关系曲线

塔里木河干流上游造床流量沿程有逐步减小的趋势，以干流上游阿拉尔河段为起始点，由阿拉尔河段和新其满河段造床流量拟合出干流上游河段造床流量沿程变化的线性关系：

式中：x为距阿拉尔河段的长度，km；Q为造床流量，m3/s。

干流上游末段英巴扎河段距离起始河段486 km，由上式可以计算出英巴扎河段的造床流量为784 m3/s。干流上游起始河段造床流量为1300 m3/s，末段河段造床流量为784 m3/s，由此可以确定塔里木河干流上游河段造床流量为1300 m3/s～784 m3/s之间。

3 结论

采用马卡维也夫法分别计算了阿拉尔河段和新其满河段的造床流量，由此拟合出塔里木河干流上游河段造床流量沿程变化函数关系，根据函数关系可以确定干流上游任意河段的造床流量，函数关系表明塔里木河干流上游造床流量沿程逐渐在减小，最终确定塔里木河干流上游河段造床流量介于1300m3/s～784 m3/s之间。

因马卡维也夫法对水文资料要求较高，塔里木河干流上游能满足计算要求的水文站只有阿拉尔水文站和新其满水文站，因此拟合出的造床流量沿程变化的函数进行外延推求出来的英巴扎河段造床流量精度较低，可作为参考。