清水河河床演變及河道穩(wěn)定性分析

薛 剛

（巴音郭楞水文勘測(cè)局，新疆 庫爾勒 841000）

1 概況

位于巴州和碩縣北部的清水河，發(fā)源于天格爾山海拔4265 m的阿勒古達(dá)板，是流向博斯騰湖的一條內(nèi)陸河，從河源至出山口河長(zhǎng)60.2 km，河流出山口以上集水面積達(dá)1016 km2，河道平均坡度3.7%，冰川面積5.64 km2，占流域總面積的0.56%。山口以上為山區(qū)產(chǎn)流區(qū)，海拔高程多在1510 m以上，4000 m以上終年積雪，山口以下為徑流散失區(qū)，海拔高程多在1000 m以下。河流出山口后，河水一部分引入灌區(qū)，另一部分滲入山前沖洪積平原。清水河流域多年平均降水量為146.6 mm，年內(nèi)降水量集中在夏季，山區(qū)降水量大于平原區(qū)。為提高當(dāng)?shù)胤篮槟芰?，?guī)劃在清水河下游引水樞紐建設(shè)防洪工程93.82 km，需對(duì)清水河洪水、河道演變和河床穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 清水河洪水成因及其特性

清水河水系由山區(qū)、沖積洪積扇和沖積平原三個(gè)地貌單元組成，出山口以上大的支流有三個(gè)，各支流基本上發(fā)源于泉流。河流流向基本上是由北向南流，該河平時(shí)水量不大，向南穿過冰達(dá)坂，形成深切峽谷，然后流出山地。在沖洪積扇下游河床變寬，階地逐漸消失，河床變淺，在314國(guó)道以上約1 km處分成兩支流，在清水河農(nóng)場(chǎng)場(chǎng)部東側(cè)兩支流合二為一，河道彎曲，呈“S”型。河段下游，縱坡較緩，河道寬度逐漸變小，河道深度由深變淺。該段河道泥沙運(yùn)動(dòng)比較微弱，河床穩(wěn)定性較好。清水河洪水就其成因和發(fā)生時(shí)間而言可，分為春季末期或夏季初期的季節(jié)性積雪融水型洪水、夏季暴雨型洪水和雨加雪混合型洪水三種類型。

2.1 融雪型洪水

融雪水型洪水多出現(xiàn)在春季，由于這類洪水是季節(jié)積雪融水形成的，所以此類洪水的大小與積雪覆蓋的面積和厚度有關(guān)。隨著時(shí)間的推移，融水洪水出現(xiàn)時(shí)間隨雪線的不斷上升而逐漸推后，當(dāng)該區(qū)域積雪消融殆盡時(shí)洪水過程結(jié)束，其特征有：洪水每年發(fā)生時(shí)間比較一致：一般出現(xiàn)在5～6月；洪水過程與升溫過程關(guān)系密切，并隨氣溫變化具有明顯的一日一峰現(xiàn)象，與氣溫日變化對(duì)應(yīng)關(guān)系甚好，整個(gè)洪水過程往往形成連續(xù)數(shù)日日變化過程；整個(gè)融雪洪水的過程歷時(shí)比較長(zhǎng)，但單日峰、量相對(duì)較小。

如1996年5月，最大洪峰流量27.2 m3/s，持續(xù)時(shí)間256小時(shí)。圖1中即反映出洪水發(fā)生后洪峰漲、落變化過程。此次洪水由5月21日4：00的3.70 m3／s開始起漲，至5月27日4:00漲至峰頂，洪峰流量為27.2 m3/s，至5月31日20:00流量降到3.00 m3／s。整個(gè)洪水過程峰值雖不很高，但所形成的洪量值則非?？捎^，充分反映出了季節(jié)性積雪融水型洪水的一些基本特性。

圖1 克爾古提水文站1996年5月融雪型洪水過程線圖

2.2 暴雨型洪水

發(fā)生時(shí)間較融水型洪水為晚，一般多出現(xiàn)在7～8月，有時(shí)抑或出現(xiàn)在6月、9月，由暴雨產(chǎn)生匯流而形成的洪水；洪水過程單一，洪峰過程陡漲陡落，總歷時(shí)較融雪型洪水為短，但通常情況下洪峰流量較融雪型洪水為大；暴雨洪水峰型尖瘦，陡漲陡落，突發(fā)性強(qiáng)，由于暴雨對(duì)坡地的侵蝕作用，一般暴雨洪水都具有挾沙量大的特點(diǎn)，圖2為克爾古提站1976年8月6日暴雨洪水過程，反映出了以上所述及的暴雨型洪水的三種特征。

圖2 克爾古提水文站1976年8月暴雨洪水過程線圖

2.3 雨加雪混合型洪水

這類洪水多出現(xiàn)在春夏汛之交及夏汛。形成這類洪水多為受大尺度天氣系統(tǒng)的影響，天氣過程中，前期氣溫高，在融雪徑流的基礎(chǔ)上，疊加暴雨徑流形成峰高量大的洶猛洪水，這類混合性洪水歷時(shí)較長(zhǎng)，洪量較大。如1996年7月19日發(fā)生的346 m3/s的洪峰，此次洪峰持續(xù)時(shí)間為3天，此類洪水對(duì)引水樞紐和水庫威脅最大，見圖3。其特征為：兼有季節(jié)性積雪融水及暴雨洪水雙重形特征，洪峰高度一般比單純的暴雨洪水相對(duì)要高；混合型洪水由于對(duì)坡地的侵蝕作用強(qiáng)，含沙量大，更具危害性；洪峰流量量級(jí)及持續(xù)時(shí)間是由積雪量及暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間等多種混合因素決定的。

圖3 克爾古提水文站1996年7月19日混合型洪水過程線圖

2.4 歷史洪水分析

2009年6月11～13日，巴州水文水資源勘測(cè)局組織對(duì)清水河作過一次歷史洪水調(diào)查，調(diào)查斷面設(shè)置7個(gè)斷面，經(jīng)過調(diào)查比較分析，清水河歷史最大洪水為1996年洪水，其流量為324 m3/s，洪水重現(xiàn)期為54年。

3 泥沙分析

3.1 懸移質(zhì)輸沙量

清水河克爾古提水文站于1963年6月開始進(jìn)行河道泥沙的觀測(cè)，共有35年實(shí)測(cè)資料，其中1966年、1967年和1970年部分月份缺測(cè)，由于冬季水量小且比較穩(wěn)定1993年11月份后該站改為汛期觀測(cè)站，每年5～11月進(jìn)行河道水量、泥沙、水質(zhì)等項(xiàng)目的觀測(cè)，每年12月和1～4月停測(cè)。清水河平時(shí)水質(zhì)清澈見底，泥沙很少，只在發(fā)生洪水時(shí)，河水中含沙量較大，根據(jù)完整年份實(shí)測(cè)的逐月平均含沙量分析，一年中僅5～10月份含沙量稍大，在0.019～0.685 kg/m3之間，其它月份的含沙量在0.001～0.005 kg/m3之間。部分缺測(cè)、停測(cè)的月份都在非汛期，本次對(duì)缺測(cè)、停測(cè)月份的泥沙資料不進(jìn)行插補(bǔ)。用清水河克爾古提水文站1964～2008年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)泥沙資料，來分析說明清水河的懸移質(zhì)泥沙的年際年內(nèi)變化特征。多年平均含沙量0.895 kg/m3，實(shí)測(cè)最大含沙量89.5 kg/m3。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(jì)見表1。

表1 克爾古提水文站懸移質(zhì)輸沙量特征統(tǒng)計(jì)表

清水河流域懸移質(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(jìn)入河道，使得夏季輸沙量高度集中，連續(xù)最大四個(gè)月輸沙量出現(xiàn)在夏季6～9月，其輸沙量占年輸沙量的99.86%以上，最大月輸沙量基本出現(xiàn)在7月份，占年輸沙量的70.5%。尤其是多沙年份，其輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，輸沙量最大年份連續(xù)最大四個(gè)月輸沙量占到年輸沙量的99.94%，7月份最大月輸沙量占年輸沙量的90.5%，輸沙量集中程度非常高。

3.2 多年平均推移質(zhì)輸沙量及輸沙總量估算

采用水利電力出版社《水文分析與計(jì)算》中推移質(zhì)常用的估算方法，即系數(shù)法：

S=βR （1）式中：S為推移質(zhì)輸沙量；β為代表推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量之比；R為懸移質(zhì)輸沙量。

在一般情況下β采用下列數(shù)值：平原區(qū)河流，β=0.01～0.05；丘陵的區(qū)河流，β=0.05～0.15；山區(qū)河流，β=0.15～0.30。

由于清水河出山口以上流域匯流坡降與河道坡降較大（河道坡降為50‰），流域匯流時(shí)沖刷能力強(qiáng)，河道水流速度大，水動(dòng)力條件充沛；流域植被差，流域表層巖石及土壤破碎等。在氣候、自然地理狀況、水動(dòng)力條件等因素的作用下，造成清水河流域洪水時(shí)河流含沙量高。河床質(zhì)多由小顆粒砂石組成（1～10cm的砂石約占50%），顆粒級(jí)配及不均勻。相比之下清水河產(chǎn)生推移質(zhì)泥沙的條件比較充沛。根據(jù)克爾古提站實(shí)測(cè)大斷面資料分析，以及實(shí)地踏勘，清水河出山口處的沖淤變化明顯。因此，清水河引水樞紐處推移質(zhì)輸沙量S與懸移質(zhì)輸沙量R之比β，選用山區(qū)河流的取值范圍內(nèi)的0.20為宜。由（1）式計(jì)算得多年平均推移質(zhì)輸沙量為2.234×104t。清水河出山口處輸沙總量為13.40×104t。

4 規(guī)劃河段河床演變

清水河出山口后河道寬度在100～200 m之間，兩岸為戈壁卵石沉積層；出山口以下河道深切沉積層中，下切深度由5 m左右向下游逐漸降低，至沖積扇邊緣處下切深度降到1.5 m左右。河道中泥沙淤積和沖刷現(xiàn)象交替發(fā)生，河道蜿蜒曲折，河床質(zhì)組成顆粒逐漸減小。雖然清水河出山口后河道增寬，坡降漸緩，但清水河泥沙主要是由降雨型洪水產(chǎn)生的，一年中洪水期的懸移質(zhì)輸沙量占年輸沙量的90%以上。清水河冬季和春季六個(gè)月，河道中的來水量很?。ㄆ骄?.68 m3/s），河水流程短，在流經(jīng)山口以下十幾公里的河道中就已逐漸滲入地下，而且此時(shí)河水中的含沙量非常小，近似于零。根據(jù)洪水調(diào)查時(shí)實(shí)地踏勘，分析自出山口到博斯騰湖入湖口處，各規(guī)劃河段河道中泥沙沖淤的現(xiàn)象。

4.1 出山口附近河段

根據(jù)不同時(shí)期資料對(duì)比分析，和實(shí)地踏勘情況來看，該段河道受兩岸山體的約束，水流主槽在40～50 m的河床中左右擺動(dòng)，每次洪水前后河道都會(huì)發(fā)生較明顯的沖淤變化，河床中堆積著洪水沖積的卵石，但河床總的變化趨勢(shì)是逐漸下切的，較大的推移質(zhì)卵石大部分沉積在0.5～1.5 km的河道中。

4.2 出山口以下0.5 km至東西支分水口附近河段

此段河道，水流沿山前洪積扇向下流動(dòng)，洪積扇上下緣高差在250 m左右，平均坡降在21‰左右，河床由100 m逐漸增寬到500 m，水流在寬闊的河床中左右擺動(dòng)，形成眾多岔溝。從河道沖淤變化和泥沙顆粒級(jí)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，從出山口以下3 km至東西支分水口以下3 km，這13 km的河段是清水河泥沙沉降淤積區(qū)域，就314國(guó)道東、西支橋附近河段沖淤情況來看，314國(guó)道西支橋附近泥沙淤積比東支橋附近嚴(yán)重。洪積扇上緣至洪積扇下緣，泥沙顆粒級(jí)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，水流逐漸沖刷兩邊河岸，河道逐漸增寬。

4.3 引水樞紐至博斯騰湖入湖口河段

此段河道在洪積扇以下的沖積平原地帶，河道平均坡降在4‰左右，受人類活動(dòng)的影響，河道變窄，河道寬度在50～70 m之間。此段河道一年之中很少來水，只有在清水河發(fā)生洪水時(shí)才有洪水通過此段河道下泄，流入博斯騰湖。從河段沖淤情況來看，此段河道河床質(zhì)多由細(xì)砂加雜戈壁組成，河道中局部地段有泥沙淤積及河床沖刷的情況，河段泥沙淤積和河床沖刷的現(xiàn)象交替發(fā)生，總的來看，在人類活動(dòng)的影響下，此段河道河床比較穩(wěn)定，大洪水時(shí)產(chǎn)生泥沙淤積現(xiàn)象。

5 結(jié)語

洪水和輸沙是決定河道穩(wěn)定和影響河床演變的重要因素，文章分析了清水河洪水類型、特性和懸移質(zhì)輸沙量及多年輸沙情況。根據(jù)水量的不同情況對(duì)清水河上中下三段河道分別進(jìn)行了分析，上游出山口附近河床總的變化趨勢(shì)是逐漸下切，中游有所淤積，下游河道河床比較穩(wěn)定，大洪水時(shí)產(chǎn)生泥沙淤積現(xiàn)象，防洪工程適宜建設(shè)。