新疆皮山河水沙特征分析

賀冬強(qiáng)

(新疆和田水文水資源勘測局,新疆和田 848000)

1 流域自然地理概況

皮山河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)皮山縣境內(nèi),發(fā)源于喀拉昆侖山北麓。流域南面為高大的喀喇昆侖山,北面有廣闊的塔里木盆地,西與葉城縣接壤,東與皮山縣桑株河相鄰。流域地形南高北低,流向由南向北。皮山河包括阿克肖河及康阿孜河兩大支流,兩支流均發(fā)源于昆侖山脈冰川積雪地帶,最高峰達(dá) 6 396 m,此地帶山峰林立,多陡巖峭壁,地形起伏較大,為皮山河夏季冰川融雪型洪水主要發(fā)源區(qū)。兩支流在瑙阿巴提塔吉克民族鄉(xiāng)(處東經(jīng) 77°46ˊ,北緯 37°11ˊ)匯合,匯合后始稱皮山河,由南向北流經(jīng)克里陽注入雅普泉水庫,后經(jīng)皮山縣城等地,最終消失于塔克拉瑪干大沙漠,全長 160 km。

皮山河皮山水文站以上集水面積為 2 227 km2,河流長度72 km,流域平均寬度 26.3 km,平均坡度 5.3‰,平均高程3 952m,河源最高點(diǎn)在海拔 6 000 m以上。多年平均流量10.9m3/s(水文站),多年平均徑流量 3.430×108m3,徑流年際變化比較平穩(wěn),但年內(nèi)分配極不均勻。多年平均輸沙率和輸沙量分別為 28.7 kg/s和 89.8×104T。

2 冰川

昆侖山冰川屬大陸性的山岳冰川,是在干冷的大陸性氣候條件下發(fā)育而成的,具有冰川區(qū)降水多、氣溫低、雪線高、冰川運(yùn)動速度慢等特點(diǎn),是皮山河流域重要補(bǔ)給源之一。據(jù)中科院蘭州冰川凍土研究所《中國冰川目錄》統(tǒng)計(jì),皮山河流域冰川總面積為 91.45 km2,其冰川覆蓋率為 4.83%,其中阿克肖河有 68條冰川,其面積和為 48.52 km2,占皮山河流域冰川的總面積的 53%,平均雪線高度為 4 700～4 900 m,冰川末端最高達(dá) 5 230m,最低為 3 960m,最大冰川面積為8.91 km2,長為 8.5 km;康阿孜河有 45條冰川,其面積和為42.92 km2,占皮山河流域冰川總面積的 47%,平均雪線高度為 4 860～5 140 m,冰川末端最高達(dá) 5 600 m,最低為4 400m,最大冰川面積為 5.75 km2,長度為 4.3 km。

3 徑流特征

3.1 徑流的時空分布

3.1.1 徑流的空間分布

由于受降水和地形影響,與降水地域分布相一致,河川徑流地區(qū)差別較大?？臻g分布特點(diǎn)亦是山地大于平原,南部大于北部。中高山帶是徑流的高值區(qū)和徑流的主要形成區(qū),低山丘陵區(qū)、下游沙漠平原地區(qū)是徑流的低值區(qū)和徑流散失區(qū)。

3.1.2 徑流的年內(nèi)、年際變化

皮山水文站設(shè)立于 1958年 6月,是該河唯一的控制性水文觀測站,水文站以上集水面積 2 227 km2,多年平均流量10.9m3/s,多年平均徑流量 3.430×108m3,全年水量的80%以上集中于 5～8月高溫時期;最大年徑流量與最小年徑流量之比為 1.84。皮山河徑流年際變化比較平穩(wěn),變差系數(shù) CV值為 0.18,主要是由于冰川融水補(bǔ)給占較大的比重。但徑流年內(nèi)分配極不均勻,其特點(diǎn)是汛期短,徑流量大,枯水期長,徑流量小。最大月 7月徑流量約為最小月 2月徑流量的 32倍。夏汛特征比較明顯,除夏季外,其它季節(jié)水量很小,2月份徑流量僅占全年徑流量的 0.88%,是一年中最枯的月份。

3.2 徑流系列豐枯變化特性分析

從皮山水文站 1958～2008年徑流過程線、年徑流量模比系數(shù)差積曲線可以看出,1958～1965年為枯水期,歷時8年;1966～1967年為豐水期,歷時 2年;1968～1973年為平偏枯水期,歷時 6年;1974～1975年為偏豐水期,歷時 2年;1976～1980年為枯水期,歷時 5年;1981～1983年為豐水期,歷時 3年;1984～1997年為枯水期,歷時 14年;1998～2000年為平水期,歷時 3年;2001～2006年為豐水期,歷時 6年;2007～2008年為平水期,歷時 2年;其中包含有一些小的周期。由此可見,該系列 1958～2008年 51年的年徑流資料包括豐、平、枯水變化過程較完整。資料具有較好的代表性。

4 洪水成因及特征

4.1 洪水成因分析

皮山河是由東西兩條大支流匯合而成。東支流阿克肖河和西支流康阿孜河分別發(fā)源于昆侖山脈的冰川積雪地帶,一般在海拔 5 000 m以上的高山區(qū),是皮山河夏季冰川融雪型洪水的主要形成區(qū)。按洪水形成的垂直分類,即低山帶主要形成暴雨洪水,中山帶主要形成季節(jié)積雪融雪型洪水,高山帶則以發(fā)育的冰川和永久性積雪形成融冰雪型洪水。

由皮山河實(shí)測歷年洪水資料分析,該河洪水主要分為春洪和夏洪兩大類。一般除了春洪多以季節(jié)積雪融雪型洪水出現(xiàn),夏季洪水多以高山冰川積雪融冰雪型洪水出現(xiàn)外,還有與山區(qū)發(fā)生暴雨洪水相遭遇而出現(xiàn)混合型洪水。從成因上講,融冰雪型洪水出現(xiàn)的時間和洪水的大小,除了主要取決于流域內(nèi)低山區(qū)的積雪量以及高山帶的冰川、積雪儲量的多少條件外,還取決于氣溫上升幅度的大小和持續(xù)歷時的長短因素。如 1967年 4月下旬,皮山河與和田地區(qū)其它主要河流普遍出現(xiàn)了一次較為明顯的春季融雪洪水,正與流域內(nèi)去冬今春在低山帶積雪量以及春季氣溫回升幅率較大而密切相關(guān)。根據(jù)和田地區(qū)各主要?dú)庀笳竞退恼?1966年 10月至 1967年 3月的降水量統(tǒng)計(jì),該時段內(nèi)降水量要較歷年同期降水量多 42% ～52%。其中皮山河流域降水量從平原到中低山區(qū)均較歷年同期降水量多 150%～169%。而皮山縣氣象站 4月下旬實(shí)測氣溫資料反映,該旬平均氣溫為22℃,較歷年同期平均氣溫 18.4℃高出 3.8℃,出現(xiàn)了歷年該旬氣溫的最高值。顯而易見,同屬于融雪型的夏季洪水,它出現(xiàn)的時間和洪水的大小規(guī)模,除了取決于高山冰川面積、永久性積雪儲量和降雪量的積累厚度外,還取決于高山區(qū)氣溫和太陽輻射量。

另外,暴雨洪水的大小和它出現(xiàn)的時間還取決于夏季降雨量的多少和降雨面積的大小以及暴雨中心的位置所確定。據(jù)和田地區(qū)主要?dú)庀笳竞退恼?1960年至 1980年的日降水量 2 0mm以上資料分析,暴雨發(fā)生受地形影響較大。就和田地區(qū)降水資料反映,20mm的暴雨由東向西出現(xiàn)的頻次增多,尤其是皮山河流域出現(xiàn)的暴雨為最多,平均每年出現(xiàn)一次,而且在中低山帶是形成大暴雨的主要地區(qū)。

4.2 洪水特征

4.2.1 以融冰雪型洪水為主、暴雨洪水為輔

皮山河多以融冰雪型洪水出現(xiàn),主要受前期降水量和氣溫的影響所決定。此類洪水多以氣溫回升較高和歷時較長而出現(xiàn),例如 1967年春季融冰雪型洪水,洪水歷時長達(dá) 15天。在夏季隨著氣溫上升較高和持續(xù)時間較長,常常是皮山河形成歷時長洪量級較大的洪水。然而皮山河流域雖然每年都有暴雨出現(xiàn),但一般降雨歷時較短,常形成歷時短,洪峰較高,漲落率大的洪水,論其洪量要較融水型洪水小的多。

4.2.2 春洪不明顯、以夏洪為主

從皮山河 1958年至 2008年(51年)實(shí)測洪水和調(diào)查歷史洪水資料分析,年最大洪峰流量和洪水徑流量大多出現(xiàn)在6月至 8月份,其中只有 4年的洪水出現(xiàn)在 5月中、下旬。而且 6月至 8月徑流量占年徑流量的 70%以上。就 1967年4月出現(xiàn)較為明顯的春季洪水而言,其洪峰流量達(dá)到 155 m3/s。但是該次洪水的洪峰和洪量都不及該年最大洪水的洪峰和洪量大,可見春洪不甚明顯,對年徑流量的影響很小。

4.2.3 一日一峰變化明顯

皮山河日流量變化同氣溫一樣,具有明顯的日變化規(guī)律。一般日最大流量出現(xiàn)在 0時 -2時,最小流量出現(xiàn)在18時 ～ 20時 。

5 泥沙

5.1 懸移質(zhì)含沙量的變化特征

河流含沙量因流域氣候的干旱程度和暴雨洪水的強(qiáng)度不同而不同,植被和地質(zhì)條件也是重要的影響因素。由于低山丘陵區(qū)植被和地質(zhì)條件較差,降雨產(chǎn)流過程中水土流失嚴(yán)重,形成流域主要產(chǎn)沙區(qū)。暴雨洪水期,水量集中、流速大,水流挾沙能力加強(qiáng),使得河流含沙量劇增。皮山站實(shí)測懸移質(zhì)泥沙資料,多年平均含沙量 2.64 kg/m3,1987年 7月 24日實(shí)測歷年最大含沙量為625 kg/m3。皮山水文站多年月平均含沙量主要分布在 4～9月,而河流含沙量與洪水之間的關(guān)系較復(fù)雜。洪峰流量與沙峰的大小及出現(xiàn)的時間并非一一對應(yīng),而是具有很大的隨機(jī)性,這與洪水發(fā)生時間及類型等有關(guān)。

5.2 懸移質(zhì)輸沙率和輸沙量的變化特征及年內(nèi)分配

據(jù)皮山站歷年實(shí)測資料統(tǒng)計(jì),該河多年平均輸沙量為89.8×104T。多年最大月平均輸沙率和輸沙量分別為117 kg/s和 31.3×104T,出現(xiàn)在七月份,其輸沙量占年輸沙量的34.9%。而多年最小月平均輸沙率和輸沙量分別為0.077 kg/s和 0.021×104T,出現(xiàn)在元月份,其輸沙量僅占年輸沙量的 0.02%。皮山河夏季輸沙量則較徑流量更為集中,連續(xù)最大四個月(5～8月)的輸沙量占年輸沙量的 91.8%。且連續(xù)最小四個月(11～2月)的輸沙量占年輸沙量的0.14%。可見皮山河懸移質(zhì)泥沙的年內(nèi)分配極為不均勻。

5.3 懸移質(zhì)輸沙率和輸沙量的年際變化

由于皮山河流域所處極端干旱的區(qū)域氣候特征以及流域植被覆蓋較差,決定了皮山河水土易流失的特點(diǎn)。尤以中低山帶出現(xiàn)暴雨洪水或春夏汛的侵蝕,造成了泥沙年際變化亦極不均勻。根據(jù)實(shí)測泥沙資料統(tǒng)計(jì),最大年平均輸沙率為146 kg/s,最小年平均輸沙率為 4.10 kg/s,其比值達(dá) 35.6。最大年輸沙量為 461×104T,最小年輸沙量為 13.0×104T,二者比值達(dá) 35.5。八十年代中期輸沙量變化極大,致使皮山河年輸沙量達(dá)到歷史實(shí)測最大值。其中突出的是 1987年 7月出現(xiàn)了歷史最大暴雨,皮山水文站降水量達(dá) 147.9mm,為歷年平均降水量的 0.9倍,該月輸沙率達(dá) 1 480 kg/s;由此可見,暴雨成為造成皮山河流域水土侵蝕嚴(yán)重而致輸沙量增大的主要因素之一。

6 水質(zhì)

6.1 天然水質(zhì)

皮山河皮山站以上河長 72 km,測站多年平均礦化度為300mg/L,是和田地區(qū)各河中礦化度最低的一條河流,按阿列金分類法,水化學(xué)類型為 SCaⅡ,陰離子以為主,陽離子以 Ca2+為主。皮山河天然水質(zhì)存在著季節(jié)性變化的特征,無論是礦化度或是水質(zhì)類型均存在較明顯的季節(jié)性改變。汛前(1～4月)礦化度為全年最大,多年平均為 422mg/L,水化學(xué)類型為 SCaⅡ。進(jìn)入汛期后(5～8月)由于水量增大,礦化度迅速減小,多年平均礦化度僅為 230mg/L,水化學(xué)類型轉(zhuǎn)化為 SCaⅠ,(陰離子以 HCO3-為主,陽離子以Ca2+為主)。汛后(9～12月)隨著水量的減小,礦化度又有增高,多年平均達(dá) 313mg/L,水化類型又轉(zhuǎn)為 SCaⅡ型。說明皮山河皮山站以上天然河流水質(zhì)在汛期為最好,汛前為最差。

皮山河年平均離子總量為 300 mg/L,年離子徑流量為9.42×104T,離子徑流模數(shù)為 42.3 t/km2?a。多年平均離子徑流模數(shù)也為地區(qū)各主要河流中最低的。

6.2 水質(zhì)評價及水質(zhì)污染

根據(jù)《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002),和田水環(huán)境監(jiān)測分中心于 2008年汛前(3月)、汛中(7月)、汛后(9月),在皮山水文站進(jìn)行取樣分析。各項(xiàng)指標(biāo)均為Ⅰ級,說明水質(zhì)尚未達(dá)到污染狀態(tài)。

7 結(jié)論

本文通過對皮山河皮山水文站的水沙特性及其變化規(guī)律進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論：

(1)從 1959～2008年皮山河皮山水文站的降雨量、徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)隨時間的變化分別具有一定的同步性。

(2)降雨 ～徑流、徑流 ～泥沙具有一定的相關(guān)性。在年徑流模數(shù)、輸沙模數(shù)相同的情況下,上世紀(jì) 80年代中期這一時期的產(chǎn)沙量要高于其它年份,可能是由于這幾年受全球氣候變暖,加快了冰川融水的速度,導(dǎo)致了主汛期洪水峰高量大,水流夾沙能力增強(qiáng),水土流失嚴(yán)重,使得河流泥沙增多。

(3)皮山河流域暴雨集中,歷時短,強(qiáng)度大,因此洪水洪峰尖瘦,陡漲陡落,高含沙洪水出現(xiàn)頻繁,給水資源的開發(fā)利用帶來了很大困難。

(4)泥沙特征與河流形態(tài)和水流條件有關(guān),也決定于沿程流域侵蝕、河道沖刷等情況。因此,泥沙問題將是皮山河流域水資源開發(fā)利用中需要科學(xué)研究和解決的重要問題。

[1]中國冰川目錄〔M〕.北京：科學(xué)出版社,1986。

[2]河流流量測驗(yàn)規(guī)〔M〕.北京：中國計(jì)劃出版社,1993。

[3]葉守澤 水文水利計(jì)算〔M〕.北京：水利電力出版社,1995。

[4]資料整編規(guī)范〔M〕.北京：中國計(jì)劃出版社,1994。