金沟河流域泥沙变化及影响因素分析

董 旭

(新疆金沟河流域管理局水利管理中心，新疆 沙湾 832100)

1 流域概况

金沟河流域在新疆自治区沙湾县境内，流域东边是宁家河，西边是八音沟河，南面为天山，北面是玛纳斯河。金沟河流域发端于依连哈比尔尕山北侧科尔达拉河源头的31号冰川，发育的河流水网呈树状，且属于典型的冰川融雪补给型河流，地势自南向北由高到低，最高海拔5256m，最低仅300m左右。流域总面积2626km2，其中金沟河出山口以上面积为1688km2。从河源至出山口(海拔820m)主河道长约94km，平均纵坡46‰。流域较大地貌单元主要有南部山区、中部冲积洪积平原及北部沙漠。海拔3600m以上的高山区终年积雪，山势陡峭，冰川储量丰富。

2 泥沙来源及特征

金沟河上游植被覆盖率高，水土保持良好，含沙量相对低，从整个山区来看，海拔3600m以上基本为永久性积雪和冰川所覆盖，产沙量较少。海拔1700m-3000m地带植被覆盖率很高，水土保持较好，产沙量也不大。在山区部分区域，覆盖层缺乏完整性，植被稀疏，如遇汛期，强降雨势必将岸坡松散风积物裹挟入河道，导致河道泥沙含量暴增，可见，暴雨洪水是导致金沟河流域含沙量高的主要原因。

金沟河红旗渠站具有1985-2016年共32a悬移质泥沙资料，霍尔果斯站具有1960-2018年共54a悬移质泥沙资料，下游红山头站具有1988-2017年共30a悬移质泥沙资料。由于上、下游站资料不同步，选用测站泥沙资料系列较长，河流泥沙含量变化与降雨历时、雨量大小、下垫面情况有直接关系，而且还必须考虑测验手段和精度等问题，根据《水利水电工程水文计算规范》(SL278-2002)，当泥沙资料序列为20a及以上，可进行泥沙特征值的统计分析[1]。因此本次设计不进行插补延长，直接采用实测数据分析计算。据红山头站实测泥沙资料分析，金沟河泥沙有如下特征：①泥沙年际变化很大。红山头站年最大年输沙量为216.1万t，发生于1999年，最小年输沙量17.7万t，发生于1993年，多年平均悬移质输沙量为68.1万t。②泥沙年内分配较为集中。红山头站实测20a泥沙资料中，6-8月输沙量占全年的98.1%，仅7月就占全年的55.4%。这与流域面上覆盖物干燥松散，水量集中有关。冬季输沙量基本为零。③含沙量集中，全年输沙量主要集中在数日之内。

3 泥沙变化及影响因素分析

文章所研究的金沟河流域泥沙主要为河川径流悬移质泥沙，金沟河流域目前有悬移质泥沙资料的测站共有3个，即上游的红旗渠站、中游的霍尔果斯站和下游红山头站，以上水文测站均为省级重要水文站。各测站资料系列长度、实测年限及含沙量、输沙量等情况详如表1所示。

表1 金沟河流域有悬移质泥沙资料的测站概况

3.1 泥沙含沙量变化

结合金沟河流域泥沙季节性变动趋势，其在夏季泥沙含量最大，其次为春季，具体情况详见图1，这2个季节的泥沙含量在全年泥沙总含量中约占95%及以上，而且，含沙量在各个年代均表现为不断攀升的变动趋势。流域夏季含沙量从20世纪60年代的2.02kg/m3上升—21世纪初期的4.43kg/m3，增幅达到119.3%；春季含沙量在20世纪60年代时为0.5kg/m3，此后的20世纪70年代开始逐渐上升，升至1.74kg/m3后，在90年代急剧下降，降至21世纪初期的1.23kg/m3，但比20世纪60年代仍存在146%的升幅。秋季含沙量上升速度较为缓慢，从20世纪60年代的0.14kg/m3上升—21世纪初期的0.42kg/m3，升幅200%，但是绝对值仅增加了0.28kg/m3。冬季金钩河流域含沙量绝对值由20世纪60年代的0.003kg/m3上升—21世纪初期的0.005kg/m3，仅增大了0.002 kg/m3，增幅66.67%。

图1 金沟河流域含沙量变化趋势

3.2 泥沙输移量与侵蚀模数变化

与金沟河流域含沙量变动趋势相类似，流域不同年代不同季节泥沙输移量也呈现递增趋势，具体见图2。但是与流域含沙量变动趋势所不同的是，输沙量主要集中发生在夏季，夏季输沙量在全年输沙总量中占94%以上，春季、秋季和冬季输沙量之和在年输沙总量中的占比不足6%。夏季流域输沙量从上世纪60年代的196.1万t增加至21世纪初期的498.8万t，增幅达154.36%；上世纪60年代春季、秋季和冬季流域输沙量分别为6.43万t、2.81万t、0.06万t，21世纪初期春季、秋季和冬季流域输沙量分别为12.85万t、12.32万t、0.15万t，增幅分别为99.8%、338%、150%。

图2 金沟河流域泥沙输移量变动趋势

金沟河流域红山头站控制流域面积1572.5km2，该水文站以上主要为冰川、农田、森林和草地等地貌景观，其中森林和草地面积837.3km2，农田面积692.1km2，冰川面积最小，且冰川所产生的泥沙较小，流域泥沙主要来自森林、草地和农田。金沟河流域红山头站以上侵蚀区域侵蚀模数394.87 km2/a，20世纪初期，侵蚀区域侵蚀模数增大为965.28 km2/a，增幅为144.46%，侵蚀等级也从轻度侵蚀演变为重度侵蚀。

3.3 泥沙变化影响因素分析

3.3.1 综合分析

金沟河流域属于内陆河，降水、冰川融雪等的侵蚀均对流域泥沙含量存在很大影响，该流域自高山区流向平原区，地势起伏较大，高山区域内主要为冰川融化型水源，含沙量较小；而中低山区沉积物较多，且遭受降水的冲刷侵蚀较大，含沙量大；下游的平原区植被缺乏必要的养护能力，且覆盖率低，强降雨和暴雨裹挟泥沙冲入河道，导致流域含沙量增大。根据金沟河流域泥沙变动及流域实际来看，引起流域输沙量增大的原因主要包括以下方面：一是流域上游低山丘陵地区地质表层主要为亚砂土和亚黏土，且植被稀少，持续暴雨等气候条件导致水土流失不断加剧；二是流域上游过度的森林砍伐、放牧、采矿等人类活动导致区域原有植被结构遭到严重破坏，暴露的土层更容易受到暴雨侵蚀，山体滑坡和地面塌陷频发。

3.3.2 人类活动的影响

从20世纪60年代开始，金沟河流域的林场大多将采伐视为主业，在加大林木采伐力度的同时忽略了植树造林。相关资料显示，从1960年开始到2005年的数十年间，流域累计森林砍伐量达90.4万m3，仅20世纪60年代的砍伐量就达34.1万m3，20世纪70年代森林砍伐量降至27.4万m3，80年代森林砍伐量为14.7万m3，90年代降至10.1万m3，20世纪初期流域森林砍伐量降至4.9万m3。到2005年国家相关部门推出天然林保育封育政策后，流域森林砍伐量降低至零。

根据统计资料，金沟河流域沙湾县金沟河乡和沙溪乡牲畜存栏数呈逐年上升趋势，从20世纪60年代的89.78万标准畜增至21世纪初期的170.58万标准畜，牲畜存栏数增幅达90%，牲畜存栏规模的持续增大给金沟河山区草地造成巨大压力，不断加剧草地退化和土壤侵蚀。包括谭坝乡在内的部分山区牧场实际牲畜存栏量已经大大超出牧场产草量核定可载标准畜理论规模，超载现象十分严重。

3.3.3 引水枢纽的影响

金沟河引水枢纽渠首除一部分由引水渠道引入田间外，大多数泥沙由溢洪道排入下游河道，在天然情况下，河流泥沙会随着水量的损失，较均匀地淤积在下游平原区冲积性河道内。由于引水渠的分流作用，洪水期排入河道的泥沙，因渠首下游河道流量不足，携沙能力较天然情况下有所下降，致使渠首下游河道产生淤积。引水渠首上游堤坝束窄河道，渠道上游河道将会演变为引起河道无明显滩工程场址处岩性为砂卵砾石，颗粒>50mm粒径含量9.9%，150-80mm的卵石含量为8.43%，80-40mm的粗砾含量为13.8%，40-20mm的中砾含量为16.3%，20-5mm细砾含量为23.6%，5-2.5mm的极粗砂含量为5.9%，2.5-1.25mm的粗砂粒含量为4.2%，1.25-0.63mm的中砂粒含量为5.8%，0.63-0.315mm的细砂粒含量为4.5%，0.315-0.16m微细砂含量2.8%，<0.16mm的细粒含量为4.8%，根据河床质泥沙的构成，可确定渠首上下游的淤积为推移质泥沙。

由于原渠首引水比较高，主干排沙设施不能发挥，排沙时间短，冲沙水量不够，从冲沙闸用排沙道排出的泥沙不能输送到远处的河道下游，大量堆积在输沙道尾端，造成输沙道淤积，纵坡变缓，输沙道淤堵时有发生，降低了排沙效果。故新渠首在排沙运行方面，应增加汛期排沙水量和历时。

由于引水渠首对河流水位的壅水作用，致使引水渠首上游发生泥沙淤积，闸址上游束窄段高程位于812-815m之间，渠首上游将以泄洪冲沙闸底板高程为淤积基准面，将会按原渠首上游河槽淤积平衡比降0.7%向上游进行溯源淤积。在新的输沙条件下，束窄段上游由于流速降低，将会发生淤积，同时由于束窄段河道变窄，流速增大，将形成较明显的深槽，并形成新的输沙平衡状态[2]。

4 结 论

金沟河流域为多泥沙河流，其泥沙主要来自降雨、冰川融雪对流域面的侵蚀及对水流的冲刷，农田、森林和草地等地貌也对流域泥沙规模有较大贡献和影响。文章分析结果表明，含沙量从河源到出山口随着流域高程的递减而逐渐增大，且流域内含沙量和输沙量在年内的分布具有明显的集中性。95%及以上的含沙量集中在夏季和春季，94%以上的输沙量集中在夏季。水库工程的建设及对流域水的拦蓄作用会导致泥沙沉积于库区，进而影响流域泥沙变化，而流域泥沙也会对水利工程正常运行产生不利影响，例如位于流域下游的红山水库电站就因夏季泥沙淤积严重并对水轮机过流部件造成严重磨蚀，导致机组始终无法稳定运行，出力也难以达到设计能力。

为减少平原水库泥沙淤积，减轻流域泥沙对水电站设备的磨蚀损坏及不利影响，确保流域水利工程正常运行，金沟河流域管理部门应当加强对流域生态环境的保护与管理，严禁对天然林进行过度采伐，加强人工造林进度，建立长效的林草资源恢复保持机制；同时，严格限制草地放牧规模和载畜量，建设标准化的饲草料基地，缓解流域山区草场载畜压力。