近50年新疆玛纳斯河流域径流、洪水、泥沙特征分析

叶 军

(新疆玛纳斯河流域管理局 水利管理中心，新疆 石河子 832000)

1 玛纳斯河流域及灌区概况

玛纳斯河流域发源于天山山脉的依连哈比尔尕山，主要由玛纳斯河、塔西河、金沟河等主流构成，支流包括花牛沟、希喀特萨依、清水河、芦草沟等次级河流，并在肯斯瓦特水文站汇入[1-3]。玛纳斯河地形南高北低，山区(肯斯瓦特水文站以上)流域面积5 188 km2。

玛纳斯河流域灌区位于天山北坡经济开发区核心地带，地处准噶尔盆地，南临依连哈尔尕山，北接古尔班通古特沙漠，东侧为塔西河，西侧为巴音沟河，地理位置E84°58′-E86°24′，N43°54′-N45°01′，玛河流域海拔在366～407.2 m之间，地势南高北低[4-5]。

2 水文站分布及气象特征

2.1 水文站及基础资料来源

玛纳斯河流域自1952年开始，设有7处水文站，包括干流上的5处和支流上的2处。其中，干流上的红山嘴水文站于1995年撤站，并由玛纳斯河管理处在引水枢纽处继续观测至今，观测项目仅存水位、流量；干流上的肯斯瓦特水文站主要监测水位、流量、泥沙等河流状况。红山嘴水文站、肯斯瓦特水文站为此次研究的主要依据站。

本次研究的水文基础资料均来源于水文站建站后年实测资料。红山嘴水文站在1995年撤消以后，交由自治区玛纳斯河管理处管理，虽然改为水管站，但该站测验设备未改变，测流方式仍沿用以前的测流方式；汛期视水情变化，每日人工观测4～8次不等，非汛期水位每日观测1～2次。流量使用水位流量关系推求，采用流速不定期校验水位-流量关系。肯斯瓦特水文站基本上控制了玛纳斯河上的全部径流，距下游红山嘴水文站约30 km；水文站测验规范、整编方法和成果精度等符合部颁规范规定，资料的质量和精度符合设计使用要求。

2.2 气象特征

根据肯斯瓦特水文站(1957-2008年)和红山嘴水文站(1954-1989年)的气象资料，对降水量、气温及蒸发特征进行统计。

降水量：多年平均年降水量为340.1 mm，最大年降水量为634 mm(1958年)；最小年降水量为195.3 mm(1977年)，降水量年际变化较大，年内分配不均；最大与最小年降水量比值为3.25，降水量在年内主要集中在4-8月份，约占全年降水量的70.1%，其中尤以5-7月份的降水量最为集中，约占全年降水量的47.6%。

气温：多年平均气温为6.2℃，极端最高气温40℃，极端最低气温-32℃。

蒸发：多年平均蒸发量为1 605.2 mm(φ20 cm蒸发皿，下同)，最大月蒸发量301.9 mm(7月份)，最小月蒸发量9.6 mm(12月份)。

3 径流特征

3.1 径流代表性分析

根据水文测站收集数据，绘制肯斯瓦特站和红山嘴站年径流模比系数累积平均曲线和差积曲线，见图1和图2。从累积曲线可以看出，当系列长度达到50年时，两水文站累积平均曲线趋势接近1。从差积曲线可以看出，两水文站的径流包含了丰、平、枯过程，具有一定的代表性。

图1 肯斯瓦特站年径流代表性分析图

图2 红山嘴站年径流代表性分析图

3.2 多年流量特征

据肯斯瓦特水文站1954-2008径流系列资料统计，其多年平均流量39.13 m3/s，最大月平均流量为234 m3/s(1999年7月)，最小月平均流量为3.91 m3/s(1988年2月)。最大年径流量为18.78×108m3(2002年)，最小年径流量为9.37×108m3(1992年)，两者比值为2.01，径流年际变化较小。

据红山嘴水文站1954-2008径流系列资料统计，其多年平均流量42.01 m3/s，最大月平均流量为238 m3/s(1999年7月)，最小月平均流量为7.16 m3/s(1956年2月)。最大年径流量为19.80×108m3(2002年)，最小年径流量为10.33×108m3(1992年)，两者比值为1.91，径流年际变化也较小。

3.3 径流量计算

径流量计算采用肯斯瓦特站和红山嘴站所测数据，采用面积内插法，计算公式如下：

(1)

式中：W水为玛纳斯河水源地设计径流量；W红为红山嘴站设计径流量；W肯为肯斯瓦特站设计径流量；S红为红山嘴站集水面积；S肯为肯斯瓦特站集水面积；S水为水源地集水面积。

按式(1)计算，得出玛纳斯河年径流量结果，见表1。

表1 玛纳斯河水源地年径流计算结果

4 洪水特征

4.1 洪水成因

玛纳斯河的洪水同天山山脉北坡诸河流一样，均形成于山区。低山带的洪水来源于暴雨，中山带的洪水则源于积雪融水和暴雨，高山带则以永久性积雪消融为主要洪水来源。基于玛纳斯河流域多年实测洪水数据，该河的洪水主要分为春洪和夏洪。春洪多为积雪融雪型洪水，夏洪除了以高山冰雪融水出现外，同时融入暴雨型洪水。

4.2 洪水特性

玛纳斯河流域3 100 m以上高山为终年积雪和冰川区，中低山区和丘陵区秋冬季积雪较厚。每年春季随着气温的回升，山中积雪融化，4月下旬常出现春汛。7-8月份气温逐渐升高，年最大洪峰常出现在这个时期，只有少数年份出现在6月份。玛纳斯河洪水以冰雪融水型洪水为主，兼有暴雨型洪水和混合型洪水，但大洪水多为混合型洪水。玛纳斯河年最大洪峰流量集中发生在6-8月份，特别是7月下旬至8月上旬。洪水主要产自中山带，洪峰多年变幅大。山区山势陡峻，河流纵坡大，流域天然调蓄能力弱，洪峰陡涨陡落，峰顶持续时间不长，单峰时间也短。

据肯斯瓦特水文站1955-2008年共53年(其中1975年停测)实测洪水系列统计，玛纳斯河山区河段发生的最大洪峰流量为1 110 m3/s，发生在1999年8月2日；最小洪峰流量为192 m3/s，发生在2003年7月13日，两者比值为5.8，由此可见玛纳斯河的洪水年际变化较大。在肯斯瓦特水文站53年实测洪水系列中，7月份出现最大流量的次数为32次，超过系列总数的一半，而在7月中旬至8月上旬的30天时间内，出现最大流量的次数为43次，占系列总数的81.1%。

4.3 洪峰计算

本次计算采用可研阶段收集到的肯斯瓦特站1955-2008年共54年的洪峰系列、红山嘴站1954-2003共50年的洪峰系列，洪峰系列没有延长，系列长度都大于30年，满足规范要求。对比玛纳斯河肯斯瓦特站和红山嘴站设计洪峰可知，肯斯瓦特站的设计洪峰小于红山嘴站的设计洪峰。洪峰流量采用肯斯瓦特站和红山嘴站的设计洪峰流量并利用面积内插法得到，计算公式如下：

(2)

式中：Q水为玛纳斯河洪峰流量；Q红为红山嘴站设计径流量；Q肯为肯斯瓦特站设计径流量；S红为红山嘴站集水面积；S肯为肯斯瓦特站集水面积；S水为洪水期集水面积。

计算成果见表2。

表2 玛纳斯河各水文站年最大洪峰流量计算结果

5 泥沙特征

玛纳斯河是一条多沙河流，泥沙来源于降雨融雪汇流对流域面的侵蚀以及水流对河道的冲刷。本文将对河流的悬移、推移质泥沙进行统计，并计算泥沙总量。

5.1 悬移质泥沙统计

选取红山嘴站悬移质泥沙1956-1978年的监测资料。经统计，得出输沙率介于0.15～433 kg/s，输沙量介于0.034～115.97×104t，最高输沙率与输沙量均出现在7月份，最低输沙率与输沙量出现在2月份，多年平均悬移质输沙量为270×104t。

5.2 推移质泥沙的估算

由于玛纳斯河上测站均缺少推移质泥沙监测数据。因此，本文基于悬移质泥沙量，根据经验公式法进行估算。计算公式如下：

W推=β×W悬

(3)

式中：β为经验系数，一般在山区取0.15～0.30，此次计算在肯斯瓦特站断面取β=0.20。

由式(3)得出，肯斯瓦特断面多年平均推移质输沙量为W推=0.20×270=54.05×104t。

5.3 泥沙总量计算

根据以上对悬移质泥沙和推移质泥沙的计算结果，得出该河多年平均输沙总量为324.05×104t。

6 结论及建议

1)本文以肯斯瓦特和红山嘴水文站近50年水文数据资料为基础进行统计分析，结果表明玛纳斯河流域多年平均流量39.13～42.01 m3/s，最大年径流量为18.78×108～19.80×108m3，最小年径流量为9.37×108～10.33×108m3。

2)玛纳斯河年最大洪峰流量集中发生在6-8月份，最大洪峰流量为1 110 m3/s，最小洪峰流量为192 m3/s，采用面积内插法得出不同频率下年最大洪峰流量。

3)降雨融雪汇流对流域面的侵蚀以及水流对河道的冲刷导致玛纳斯河多沙，基于悬移与推移质泥沙的统计，计算得出多年平均输沙总量为324.05×104t。

4)建议持续开展水文基础资料的测量与记录，统计分析径流、洪水和泥沙等特征对玛纳斯河流域灌区的开发利用，以及流域的规划和管理等决策具有十分重要的意义。