麻扎溝泥沙特性及河床演變分析

張衛(wèi)東

（烏斯?jié)M水文站，新疆 庫爾勒 841000）

1 概況

麻扎溝發(fā)源于南天山支脈的霍拉山南坡，是一條以積雪融水、降雨和地下水為主補給來源的山溪性河流，從河源至出山口河長47.2 km，出山口以上集水面積達365 km2。河流出山口以上為產(chǎn)流區(qū)，氣候濕潤；山口以下為徑流散失區(qū)，降水量較少，氣候干燥。年平均降水量為55.6 mm，最大年降水量為117.6 mm（1981年），最小年降水量為20.6 mm（1980年），年內(nèi)降水量集中在夏季，5～8月降水量占年降水量的69.1%。

2 節(jié)點防洪工程

為提高當(dāng)?shù)胤篮槟芰?，減少洪水災(zāi)害，庫爾勒市計劃在麻扎溝引水閘至庫爾楚與三十團交界處擬建防洪工程全長17.365 km，共分3段，分別為：麻扎溝引水閘下游500 m處新建防洪堤6.0 km，堤身設(shè)計為梯形砂礫石混合土土堤；南疆鐵路泄洪橋處，末端至庫爾楚與三十團交界處，為改建加固防洪堤，總長5.935 km，并新建砼護坡和基礎(chǔ)；庫爾楚與三十團交界處，防洪堤向下游延伸5.43 km至庫爾楚的保護范圍外結(jié)束，為新建防洪堤，總長5.43 km，堤身設(shè)計為梯形砂礫石混合土土堤，并新建砼護坡和基礎(chǔ)。規(guī)劃河道設(shè)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。

3 參證站泥沙特征

黃水溝水文站位于和靜縣黃水溝，于1964年1月開始進行河道泥沙觀測，測站以上集水面積4311 km2。黃水溝與麻扎溝距離不遠，區(qū)域地形和氣候特征相像。所以，以黃水溝為參證站進行麻扎溝河道演變分析。在1964～2008年期間，黃水溝有1964～1972年、1980～2008年36年的實測資料，其中1967年、1968年、1972年和1980年部分月份缺測。本次采用參證站1981～2008年28年的實測資料來分析計算懸移質(zhì)泥沙特征。

3.1 懸移質(zhì)泥沙的年際、年內(nèi)變化

用黃水溝水文站1981～2008年實測懸移質(zhì)泥沙資料，分析說明黃水溝的懸移質(zhì)泥沙的年際、年內(nèi)變化特征。

3.1.1 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。由于黃水溝低山丘陵區(qū)植被和地質(zhì)條件較差，降雨殘留過程中水土流失嚴重，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，使得河流含沙量劇增。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，黃水溝水文站多年平均含沙量為0.933 kg/m3，歷年最大實測含沙量34.9 kg/m3。

3.1.2 懸移質(zhì)輸沙量的變化特征

山區(qū)既是徑流形成區(qū)同時也是泥沙的侵蝕源地。高山區(qū)因以冰川融雪補給為主，徑流量小，其產(chǎn)沙量亦相對小，中山和淺山區(qū)為降雨補給為主，雨洪集中，致使產(chǎn)沙量也不斷增加。夏季地表土壤結(jié)構(gòu)松散，在季節(jié)性積雪消融和夏季雨洪的推動下，大量泥沙注入干流，使河道的懸移質(zhì)輸沙量劇增。冬季流域表面因積雪覆蓋，坡地產(chǎn)沙停止。懸移質(zhì)輸沙量隨河流徑流量、含沙量的變化而變化。參證站多年平均懸移質(zhì)輸沙量統(tǒng)計見表1。

表1 參證站1981～2008年懸移質(zhì)輸沙量特征統(tǒng)計表

黃水溝水文站1981～2008年多年平均年徑流量為3.193×108m3，多年平均年輸沙量為29.47×104t，多年平均輸沙模數(shù)68.36t/km2，歷年懸移質(zhì)輸沙量系列中，最大年是最小年的178倍。

3.1.3 懸移質(zhì)輸沙量的年內(nèi)分配

黃水溝流域懸移質(zhì)泥沙年內(nèi)分配極不均勻，夏季大量冰雪融水和局部暴雨洪水?dāng)y帶大量泥沙進入河道，使得夏季輸沙量高度集中。黃水溝水文站連續(xù)最大四個月輸沙量出現(xiàn)在夏季5～8月，其輸沙量占年輸沙量的99.11%以上；最大月輸沙量基本出現(xiàn)在7月份，占年輸沙量的69.9%。參證站輸沙量年內(nèi)分配見表2。

表2 參證站輸沙量年內(nèi)集中程度統(tǒng)計表

4 麻扎溝泥沙特性分析

4.1 麻扎溝出山口多年平均輸沙量分析

4.1.1 懸移質(zhì)輸沙量

麻扎溝流域無泥沙實測資料，在估算輸沙量時，采用黃水溝流域黃水溝水文站多年平均懸移質(zhì)泥沙資料推算。因麻扎溝和黃水溝流域的氣溫、風(fēng)力等主要氣候因素與土壤結(jié)構(gòu)、植被、河道坡度等主要下墊面因素基本相同。直接移用黃水溝水文站的多年平均輸沙模數(shù)（Ms黃=68.38 t/km2），作為麻扎溝處山口處的多年平均輸沙模數(shù)，將黃水溝水文站的選用參數(shù)代入公式：

Ws麻=Ms黃×F麻

式中，Ws麻為麻扎溝處山口處多年平均懸移質(zhì)輸沙量，t；F麻為麻扎溝處山口以上集水面積，km2；Ms黃為黃水溝水文站多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)，t/km2。

4.1.2 推移質(zhì)輸沙量估算

根據(jù)水利電力出版社《水文分析與計算》書中推移質(zhì)的估算方法。

系數(shù)法：β代表推移質(zhì)輸沙量S與懸移質(zhì)輸沙量R之比，即：

S=βR

由于麻扎溝流域匯流坡降與河道坡降較大（河道坡降為48‰），流域匯流時沖刷能力強，河道水流速度大，水動力條件充沛；流域植被差，流域地處戈壁荒漠地帶，氣候干熱、風(fēng)沙天氣較多，表層巖石及土壤破碎等。在氣候、自然地理狀況、水動力條件等因素的作用下，造成麻扎溝流域洪水時水流含沙量高。河床質(zhì)多由砂石組成（3～10 cm的砂石約占50%），顆粒級配及不均勻。相比之下麻扎溝產(chǎn)生推移質(zhì)泥沙的條件比較充沛。根據(jù)洪水調(diào)查時實地踏勘，擬建引水閘處的沖淤變化明顯。因此，麻扎溝處山口處推移質(zhì)輸沙量S與懸移質(zhì)輸沙量R之比β，選用一般情況下山區(qū)河流的取值范圍0.20為宜。

水文比擬法計算的多年平均懸移質(zhì)輸沙量2.495×104t，經(jīng)式計算得多年平均推移質(zhì)輸沙量為0.499×104t。麻扎溝處山口處輸沙總量為2.994×104t。

4.1.3 計算結(jié)果分析

雖然麻扎溝出山口處的集水面積和年徑流量與黃水溝水文站相差較大，但兩流域都主要以降水形成洪峰流量，流域植被和地質(zhì)條件相同。夏季水量集中，洪水水流挾沙能力強，汛期是河道中主要產(chǎn)沙期。為工程設(shè)計安全考慮，選擇黃水溝水文站的輸沙模數(shù)，用比擬法推算的結(jié)果較可靠。

4.2 流域輸沙量沿程變化

麻扎溝平時水流清澈，河道中的泥沙主要來自于洪水，一年中汛期洪水中的泥沙占全年的99%以上。由于麻扎溝流域匯流坡降與河道坡降較大，流域匯流時沖刷能力強，水動力條件充沛。根據(jù)洪水調(diào)查時實地踏勘，麻扎溝出山口處河床質(zhì)多由砂加卵石組成（卵石直徑在10～30 cm的約占50%），且部分河床處基巖出露。出山口處的沖刷明顯。在314國道公路橋附近，河床質(zhì)多由戈壁砂石組成，河道內(nèi)溝汊眾多，水流分散，水流挾沙能力逐漸減小，洪水中的懸移質(zhì)泥沙逐漸沉積。麻扎溝出山口以后河段水量逐漸減小，河道坡降逐漸減小，河道輸沙量逐漸減小。

5 規(guī)劃河段河床演變分析

5.1 麻扎溝引水閘附近河段

根據(jù)不同時期資料對比和實地踏勘情況，該段河道受兩岸山體的約束，在50～80 m的河床中水流主槽順直，兩邊河岸高2.5 m，斷面最大沖深達3.5 m。每次洪水前后河道內(nèi)沖淤變化不明顯，從河床總的變化趨勢來看，呈逐漸下切的變化趨勢，河床深切兩岸山體基巖中。

5.2 麻扎溝出山口至分水口河段

此段河道，水流沿山前洪積扇向下流動，平均坡降在40‰左右，水流主槽在河道中左右擺動，呈大的右傾彎道，河床逐漸增寬，分水口斷面處兩邊沙石河岸高1.2 m，斷面最大沖深達1.7 m。分水口以下，水流左右擺動，形成兩條較大的沖洪溝。在寬闊的河床中由形成眾多水流主槽。從河道沖淤變化和泥沙顆粒級配情況來看，河流從出山口沖瀉的較大的推移質(zhì)卵石，大部分堆積在該段河道中，河床主要由戈壁砂石組成。

5.3 麻扎溝分水口至314國道公路橋河段

此段河道平均坡降在35‰左右，由于水流主槽在河道中左右擺動，分水口以下河道分為東、西兩條較大的岔溝，東支河道比西支要寬。沿東支河道向下，河道又分成4條水流沖溝和眾多的水流主槽，呈擴散狀分布在山前洪積扇地帶，在314國道公路上分布著4座較大的公路橋和7處過水涵洞。

沿西支河道向下，河道又分成兩條水流沖溝，兩條沖洪溝在東西支分水口以下2.0 km處會合，形成寬闊的河槽。在西支鐵路橋上游2.05 km節(jié)點處，水流主槽左右擺動，兩邊河岸無明顯沖刷，河岸高出河床約1.5 m，斷面最大沖深達1.9 m；西支鐵路橋處，河床寬度在500～600 m，水流在寬闊的河床中形成眾主河槽，水流主槽左右擺動。在此有兩座較大的鐵路橋，目前鐵路橋上游兩邊河岸為人工修筑的導(dǎo)流土堤，土堤高出河床約1.2 m，斷面最大沖深達2.0 m（相對于堤頂高差）；西支河道在314國道公路上分布著2座較大的公路橋和3處過水涵洞，目前兩座較大的鐵路橋上游，兩邊河岸為人工修筑的導(dǎo)流土堤，導(dǎo)流土堤一直延伸到鐵路橋處，土堤高出河床約1.5 m。314國道公路橋節(jié)點處，水流主槽左右擺動，兩邊河岸無明顯沖刷，斷面最大沖深達2.2 m（相對于堤頂高差）。

從河道沖淤變化和泥沙顆粒級配情況來看，河流從出山口沖瀉的較大的推移質(zhì)泥沙，大部分堆積在山前洪積扇地帶，從洪積扇上緣至洪積扇下緣，泥沙顆粒級配逐漸變小。在洪積扇下部的邊緣地帶，河床主要由戈壁砂石組成，水流逐漸分散，河道逐漸增寬。

5.4 314國道公路橋以下河段

此段河道，在洪積扇以下，沖積平原的邊緣地帶，河道平均坡降在11‰左右。水流主槽左右擺動，河道逐漸增寬，自然河道下切較淺，河床最大沖深達0.5 m。目前河道為人工修建的泄洪渠。為保護314國道公路以南耕地，在314國道公路以南200 m左右，沿公路修建了一條東西走向的防洪土堤，將主河道兩邊分散的洪水逐漸疏導(dǎo)至泄洪渠內(nèi)。

6 結(jié)語

經(jīng)過分析論證，麻扎溝引水閘附近河床呈逐漸下切的變化趨勢，麻扎溝出山口至分水口河段淤積較重，麻扎溝分水口至314國道公路橋河道逐漸增寬，下切較淺，河水?dāng)[動較大?？傮w來說，三處河段河槽變化不太大，不會影響到堤防建設(shè)，所以工程可以順利實施。