塔里木河干流上游河段造床流量計算分析

陳 瑞

（新疆塔里木河流域干流管理局吐皮塔西提管理站，新疆 庫爾勒 841000）

0 前言

造床流量是天然河道中表征河床特征和河槽基本尺度的特征流量，對于無防洪規(guī)劃的平原區(qū)河段，河段造床流量對應(yīng)的水位與陸域的交線用來作為岸線控制線的臨水線[1]，而臨水控制線用來指導(dǎo)河道生態(tài)空間管控，因此確定河段的造床流量則成為了劃定河段臨水控制線的基礎(chǔ)性工作。為了更好地保護和利用河道（湖泊）岸線的空間，實現(xiàn)生態(tài)的可持續(xù)性發(fā)展，新疆維爾自治區(qū)于2018年啟動河湖岸線劃定工作，由于南疆地區(qū)大部分河段都屬于平原區(qū)河段，并且很多河段還未做防洪規(guī)劃，此外以往對南疆平原區(qū)河段造床流量研究較少，能夠指導(dǎo)劃定工作的例子有限，因此全面了解不同河段的造床流量指導(dǎo)此次劃定工作則顯得比較重要。本文選擇南疆塔里木河干流上游兩個典型河段，采用馬卡維也夫法計算分析相應(yīng)河段造床流量。

1 塔里木河干流基本情況

塔里木河干流位于塔里木盆地北緣，起始于阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河交匯處，歸宿于臺特瑪湖，河長1312 km，屬于典型的平原區(qū)河段，其中阿拉爾-英巴扎河段是干流上游河段，全長486 km，英巴扎-卡拉河段是干流中游河段，全長398 km，卡拉-臺特瑪湖河段為干流下游河段，全長428 km。

塔里木河干流流域面積1.76萬km2，流域內(nèi)降雨量小，蒸發(fā)量大，多年平均降水量17.4 mm～42.8 mm，多年平均蒸發(fā)量1125 mm～1600 mm，屬于大陸性暖溫帶極端干旱氣候。目前塔里木河干流徑流主要來源于支流阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河上游山區(qū)的冰川融雪，夏季以融雪型洪水為主，匯合口多年平均徑流量[2]46.5億m3，其中阿克蘇河徑流量約占74%，葉爾羌河徑流量約占0.51%，和田河徑流量約占21%，匯合口以下塔里木河干流流域無大的支流匯入，流量沿程逐漸減小。

此外由于塔里木河干流流域耕地的大面積開發(fā)，對流域水資源的過度利用，導(dǎo)致塔里木河干流中下游出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，下游臺特瑪湖水面消失，嚴重威脅流域的生態(tài)環(huán)境，2000年以后塔里木河干流實施流域綜合治理，用開都河的水經(jīng)博斯騰湖利用揚水泵站輸入到塔里木河干流，實現(xiàn)生態(tài)輸水，臺特瑪湖重新出現(xiàn)了500多km2的湖面，截止2019年春季已輸水19次，輸水總量達到了70多億m3，有效補充了干流中下游河道水量。

圖1 塔里木河流域示意圖

2 造床流量的計算分析

2.1 馬卡維也夫法

此法由俄羅斯學(xué)者馬卡維也夫提出，具體的求解過程如下[3]：

1）將計算河段歷年實測流量分為若干相等的流量級，并計算該級流量的平均值Q。

2）確定各級流量級出現(xiàn)的頻率P。

3）繪制河段流量-比降關(guān)系曲線，并確定各級流量相應(yīng)的比降J。

4）繪制Gs-Q的關(guān)系曲線，得出曲線的指數(shù)m。其中Q為該級流量的平均值；Gs為與Q相應(yīng)的實測斷面輸沙率。

5）算出每一級流量相應(yīng)的QmJP乘積值，繪制QmJP-Q關(guān)系曲線圖。

6）從圖中查出QmJP的最大值，相應(yīng)于此最大值的流量Q為造床流量。

馬卡維也夫法對于水文資料的要求較高，要有多年實測的流量過程、河段的縱斷面比降及斷面輸沙率資料。

2.2 塔里木河干流上游造床流量計算

塔里木河干流上游建有阿拉爾水文站和新其滿水文站兩個國家基本站，阿拉爾水文站是塔里木河干流上游起始控制站，新其滿水文站是塔里木河干流上游中斷控制站，兩站相距189 km，兩站都有長期觀測的水文資料，滿足馬卡維也夫法理論的要求。為了確保計算結(jié)果具有可比性，消除相同因素的影響，在造床流量計算中，阿拉爾水文站和新其滿水文站都選取1980年～2014年汛期實測流量和斷面輸沙率資料作為樣本數(shù)據(jù)，此外生態(tài)輸水是在新其滿水文站以下，對樣本數(shù)據(jù)不產(chǎn)生干擾。

根據(jù)多年實測流量資料，阿拉爾河段流量范圍為700 m3/s～2500 m3/s，采用50 m3/s為步距，將流量分為50個區(qū)間；新其滿河段流量范圍為400 m3/s～1800 m3/s，采用50 m3/s為步距，將流量分為28個區(qū)間，將實測流量樣本數(shù)據(jù)按照大小進行統(tǒng)計排序，計算出每個流量區(qū)間段內(nèi)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值Q和該流量區(qū)間段內(nèi)流量數(shù)據(jù)個數(shù)所占樣本總數(shù)的頻率P，部分Q和對應(yīng)P的值見表1。

表1 部分各級平均流量Q和對應(yīng)的頻率值P

將阿拉爾河段、新其滿河段流量Q和輸沙率Gs的數(shù)值進行擬合，擬合曲線見圖2、圖3。

圖2 阿拉爾河段Gs-Q擬合曲線

圖3 新其滿河段Gs-Q擬合曲線

圖2 、圖3分別為阿拉爾河段及新其滿河段Gs-Q擬合曲線方程，由曲線方程的指數(shù)可以得出阿拉爾河段m值為2.2，新其滿河段m值為1.68，根據(jù)胡春宏等人[4]關(guān)于塔里木河干流泥沙的研究，阿拉爾河段m擬合值為1.9，新其滿河段m擬合值為1.8，同時按照馬卡維也夫理論[3]平原區(qū)河段m值可以取2，因此本次擬合出來m值符合基本情況。

按照馬卡維也夫法的理論，河段比降J應(yīng)為平均流量Q對應(yīng)的比降。因塔里木河干流屬于典型平原區(qū)河段，根據(jù)多年對河道縱斷面實測資料發(fā)現(xiàn)，阿拉爾至新其滿河段河勢會出現(xiàn)游蕩型變化，但各級流量下河道比降J變化不大，實測資料中阿拉爾河段比降J為2.52‰，新其滿河段比降J為1.78‰～1.96‰，造床流量計算中阿拉爾河段J=2.52‰，新其滿河段J=1.87‰。

根據(jù)馬卡維也夫法各參數(shù)，點繪出阿拉爾河段、新其滿河段Q-QmJP關(guān)系曲線，見圖4、圖5。根據(jù)圖上的峰值，可以讀出阿拉爾河段造床流量為1300 m3/s，新其滿河段造床流量為1100 m3/s。

圖4 阿拉爾河段Q-QmJP關(guān)系曲線

圖5 新其滿河段Q-QmJP關(guān)系曲線

塔里木河干流上游造床流量沿程有逐步減小的趨勢，以干流上游阿拉爾河段為起始點，由阿拉爾河段和新其滿河段造床流量擬合出干流上游河段造床流量沿程變化的線性關(guān)系：

式中：x為距阿拉爾河段的長度，km；Q為造床流量，m3/s。

干流上游末段英巴扎河段距離起始河段486 km，由上式可以計算出英巴扎河段的造床流量為784 m3/s。干流上游起始河段造床流量為1300 m3/s，末段河段造床流量為784 m3/s，由此可以確定塔里木河干流上游河段造床流量為1300 m3/s～784 m3/s之間。

3 結(jié)論

采用馬卡維也夫法分別計算了阿拉爾河段和新其滿河段的造床流量，由此擬合出塔里木河干流上游河段造床流量沿程變化函數(shù)關(guān)系，根據(jù)函數(shù)關(guān)系可以確定干流上游任意河段的造床流量，函數(shù)關(guān)系表明塔里木河干流上游造床流量沿程逐漸在減小，最終確定塔里木河干流上游河段造床流量介于1300m3/s～784 m3/s之間。

因馬卡維也夫法對水文資料要求較高，塔里木河干流上游能滿足計算要求的水文站只有阿拉爾水文站和新其滿水文站，因此擬合出的造床流量沿程變化的函數(shù)進行外延推求出來的英巴扎河段造床流量精度較低，可作為參考。