金沟河下游冲淤变化特征及成因分析

李旗进，李翰尧

（1.新疆白杨河河流域管理局,新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆驰远天合工程造价咨询公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 前言

金沟河流域位于天山北麓,流域整体由南向北倾斜,地形因凹地和山脉相间分布而起伏不平,最高和最低海拔分别为5562 m、341 m,金沟河河长118.5 km,平均坡降值2.5%。在地质条件及地层岩性等的影响下,流域上游草木茂盛,永久性积雪和冰川覆盖在海拔3500 m以上的地带,海拔2000 m~3500 m以上的地带植被覆盖率较高,基本不产沙；海拔在2000 m以下的地带主要为松散破碎层,植被稀少,产沙量大。进入汛期后,在暴雨的冲刷下两岸岸坡松散风积沙被带入河道,导致河道泥沙骤增,所以说,金沟河泥沙主要来自暴雨洪水。金沟河是新疆天山北坡含沙量最大的河流之一,红山头渠首以上并无控制性水利工程,流域下游山涧平原河床及河漫滩几乎都是砾石层和卵石层,存在较为严重的渗漏。此外,泥沙进入渠首水利工程后导致工程受损严重,运行管理费用及流域现有水利工程安全运行的难度大大增加。

2 金沟河下游泥沙淤积概况

2.1 泥沙来源

根据金沟河流域地质地貌条件,其上游水土保持较好,而海拔2000 m以上植被覆盖良好,产沙量少。流域下游海拔在2000 m以下的区域植被稀少,是流域内主要的产沙区,进入汛期后会在暴雨的冲刷下将河道岸坡松散风积沙带入河道,导致河道内泥沙骤增。考虑到流域地质构造及地层岩性,流域下游河道泥沙主要分布在流域内的砂砾石地层和土层。流域内砂砾石地层颗粒组成较为一致,粒径中值为22 mm,颗粒组成及占比情况详见表1,粒径在0.075 mm以下的颗粒占比2.5%,粒径在0.5 mm以下的颗粒占比8.5%,粒径在5 mm以下的颗粒占比24.3%,可见,砂砾石地层在遭遇冲刷后进入河道主要形成推移质。

表1 金沟河下游砂砾石地层颗粒组成

金沟河下游悬移质主要由流域内风化后的粒径在0.015 mm及以下的泥岩与第四系更新统~全新统冲洪积低液黏土形成,颗粒粒径及占比情况见表2,粒径不足0.002 mm的颗粒占比11.3%,粒径在0.005 mm以下的颗粒占比21.3%,粒径0.075 mm以下的颗粒占比96.6%,粒径0.5 mm以下的颗粒占比99.83%。所以,土层在暴雨的冲刷和侵蚀下流入河道后形成悬移质,且不参与造床。

表2 金沟河下游土层颗粒组成

综上,砾石地层分布区域、风化泥岩及土层分布区域是金沟河下游泥沙的主要来源,且流域下游砂砾石地层区域主要产生推移质泥沙,风化泥岩及土层主要产生悬移质泥沙。

2.2 泥沙淤积特征

（1）年际变化较大且年内分配集中：根据相关研究,河流泥沙的变化与河流径流组成存在较为密切的关系[1],如果流域为暴雨洪水补给型河流,则泥沙存在较大的年际变化,如果流域为冰川补给型河流,则泥沙年际变化小。金沟河流域是典型的冰川融水+降水混合补给型,其含沙量和输沙量年际变化均较大。

金沟河流域下游红山头水文站实测水文资料中,6 月~8 月的输沙量在全年输沙量中占比98.1%,仅7 月的输沙量就占全年输沙总量的56.7%,冬季输沙量基本为零,这主要与流域下游河面冬季覆盖物干燥松散、水量集中等特征有关,具体数值见表3。

表3 金沟河流域下游红山头水文站实测悬移质输沙量数据

根据流域下游红山头水文站汛期逐日输沙率过程线及逐日降水量变动趋势,因暴雨所导致的流域泥沙过程主要表现为一次暴雨一个沙峰,如遇暴雨和冰川融雪叠加的情况,则沙峰陡涨陡落趋势更加明显。

（2）含沙量较为集中：根据对下游红山头水文站悬移质输沙量的分析表明,流域下游7 月~8 月沙峰主要由暴雨和冰川融雪叠加引起,1975 ~2016 年间,7 月19 日~20 日两日的输沙量均值为16.1 万t, 8 月1 日~2 日两日的输沙量均值为53.4 万t,两次沙峰输沙总量达69.5 万t,在全年总输沙量中占比84.7%。根据相关分析, 6 月~8 月是金沟河流域暴雨频发的季节,所对应的输沙量在全年总输沙量中占比很大,且沙峰具有陡涨陡落变化趋势,不利于河道行洪安全,也不利于下游工农业用水的稳定性及水利工程的安全运行。

3 冲淤变化的成因分析

3.1 汛期水沙量变化

金沟河下游水沙量主要来自于汛期,由此引起的河道冲淤变化也主要在汛期发生,金沟河下游冲淤量和汛期水量的关系见图1。由图1 可知,随着流域下游汛期水量的增大,淤积量呈减小趋势。当下游河道实际水量<60×108m3的水量界限,河道表现为淤积,而当下游河道实际水量>60×108m3[2]的界限,则表现为冲刷。金沟河下游汛期水量超出60×108m3界限的年份主要在1975 年~1995 年间,其中,冲刷大多发生在大水年,淤积发生在小水年,综合后该期间金沟河下游累计淤积量并不大。1996 年以来金沟河下游汛期来水量偏小,淤积量较大,小水年主要表现为淤积,但是却无大水年的冲刷,造成金沟河下游1996 年以后的累计淤积。

图1 金沟河下游冲淤量和汛期水量的关系

水沙搭配对金沟河流域下游冲淤存在一定程度影响,根据所绘制的流域下游汛期冲淤量和来沙系数的关系曲线（图2）可知,随着单位水量来沙系数的增大,流域下游单位水量冲淤量随之增大,当来沙系数>0.1 kg·s/m3的临界点时,下游河道表现为淤积,而当来沙系数<0.1 kg·s/m3的临界点时,下游河道表现为冲刷。1975 年~1995 年间金沟河下游汛期来沙系数取值较小,主要在0.02 kg·s/m3~0.2 kg·s/m3范围内变化,而1996 年及以后,汛期来沙量降幅比水量降幅小,来沙系数普遍较大,单位水量淤积量呈现增大趋势。

图2 金沟河下游汛期冲淤量和来沙系数的关系

3.2 洪水变化

根据所统计的1975年 ~2016 年不同时段金沟河下游红山头水文站不同洪水场次数据见表4,根据表中数据,金沟河下游洪水主要为中小洪水,20 世纪80 年代~90 年代洪水发生次数多且量级大,其中,1981 年~1986 年间共发生洪水17 次,200 m3/s~300 m3/s量级及300 m3/s以上量级的洪水各1 次；1993 年~1998 年间共发生洪水15 次,200 m3/s~300 m3/s量级的洪水2 次,300 m3/s以上量级的1 次。1999 年以来,金沟河下游洪水次数及量级显著减少,1999 年~2004 年间,100 m3/s~200 m3/s量级的洪水出现1 次,300 m3/s以上量级的洪水出现2 次；2005 年~2009 年间50 m3/s~100 m3/s量级的洪水出现1 次,100 m3/s~200 m3/s量级的洪水出现1 次；2010 年~2016 年间发生100 m3/s~200 m3/s量级的洪水1 次。近20 年来,金沟河下游大洪水发生的次数明显减少,含沙量高的大洪水造成滩面淤高的现象很少,河道泥沙淤积除受局部侵蚀基准面升降的微小影响外基本呈稳定态势。

表4 金沟河下游红山头水文站不同洪水场次数据

3.3 河床条件的变化

根据金沟河下游河道泥沙淤积部位,可将河道淤积分为滩地淤积和主槽淤积,滩地淤积主要因主槽排洪能力不足导致洪水漫滩淤积所致,而主槽淤积主要因含沙量高的小洪水引起。在中常洪水的影响下,主槽内淤积的泥沙遭遇冲刷,主槽拓宽,河道泄洪能力增大。

一定时期的水沙过程变化会引起河槽发生相应调整,使得河槽过洪能力和同时期来水来沙过程相适应。1997 年汛期枯水多沙,且多高含沙小洪水,导致河道淤积严重,河槽萎缩,平摊流量不断减小。在此种水沙条件的影响下,金沟河下游河道表现出典型的贴边淤积,断面持续缩窄,在前期主河槽过流能力持续降低的情况下,加剧洪水漫滩和河道淤积。红山头站平摊流量从350 m3/s骤降至110 m3/s,而2005 年汛期出现中洪水,冲刷河道后使测站平摊流量从105 m3/s增加至320 m3/s。根据相关资料,金沟河下游河道的过洪能力除受当年来水量影响外,还与历年来水量有关,也就是说河道过洪能力是多年来河道来水过程持续作用的结果[3]。根据敏感性分析,金沟河下游红山头站平滩流量与前两年汛期水量均值相关关系较好（图3）,同时表明,金沟河下游河道冲淤变化频繁。

图3 金沟河下游红山头站平滩流量与前两年汛期水量均值的关系

4 结论

本文分析结果表明,金沟河流域下游推移质泥沙和悬移质泥沙的形成原因各不相同,推移质主要产生于流域内砂砾石地层分布较多的区域,而悬移质泥沙更多来自流域岸坡风化泥岩及土层分布区域,造成流域下游河床和渠底淤积抬高的主要是推移质泥沙,而且在推移质泥沙的影响下,河道冲刷磨损不断加剧,干渠运行维护费用不断增长。通过本文对金沟河流域下游泥沙特性、冲淤变化及成因的分析,可为水资源管理部门提供流域泥沙变化趋势特性并掌握流域泥沙年际年内分配规律,加强沙情、雨情监测,并采取多种有效排沙措施,降低渠道磨损,延长水利工程寿命,提高流域水资源利用效率。