近50年新疆瑪納斯河流域徑流、洪水、泥沙特征分析

葉 軍

(新疆瑪納斯河流域管理局 水利管理中心，新疆 石河子 832000)

1 瑪納斯河流域及灌區(qū)概況

瑪納斯河流域發(fā)源于天山山脈的依連哈比爾尕山，主要由瑪納斯河、塔西河、金溝河等主流構(gòu)成，支流包括花牛溝、希喀特薩依、清水河、蘆草溝等次級(jí)河流，并在肯斯瓦特水文站匯入[1-3]?，敿{斯河地形南高北低，山區(qū)(肯斯瓦特水文站以上)流域面積5 188 km2。

瑪納斯河流域灌區(qū)位于天山北坡經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)核心地帶，地處準(zhǔn)噶爾盆地，南臨依連哈爾尕山，北接古爾班通古特沙漠，東側(cè)為塔西河，西側(cè)為巴音溝河，地理位置E84°58′-E86°24′，N43°54′-N45°01′，瑪河流域海拔在366～407.2 m之間，地勢(shì)南高北低[4-5]。

2 水文站分布及氣象特征

2.1 水文站及基礎(chǔ)資料來(lái)源

瑪納斯河流域自1952年開(kāi)始，設(shè)有7處水文站，包括干流上的5處和支流上的2處。其中，干流上的紅山嘴水文站于1995年撤站，并由瑪納斯河管理處在引水樞紐處繼續(xù)觀測(cè)至今，觀測(cè)項(xiàng)目?jī)H存水位、流量；干流上的肯斯瓦特水文站主要監(jiān)測(cè)水位、流量、泥沙等河流狀況。紅山嘴水文站、肯斯瓦特水文站為此次研究的主要依據(jù)站。

本次研究的水文基礎(chǔ)資料均來(lái)源于水文站建站后年實(shí)測(cè)資料。紅山嘴水文站在1995年撤消以后，交由自治區(qū)瑪納斯河管理處管理，雖然改為水管站，但該站測(cè)驗(yàn)設(shè)備未改變，測(cè)流方式仍沿用以前的測(cè)流方式；汛期視水情變化，每日人工觀測(cè)4～8次不等，非汛期水位每日觀測(cè)1～2次。流量使用水位流量關(guān)系推求，采用流速不定期校驗(yàn)水位-流量關(guān)系?？纤雇咛厮恼净旧峡刂屏爽敿{斯河上的全部徑流，距下游紅山嘴水文站約30 km；水文站測(cè)驗(yàn)規(guī)范、整編方法和成果精度等符合部頒規(guī)范規(guī)定，資料的質(zhì)量和精度符合設(shè)計(jì)使用要求。

2.2 氣象特征

根據(jù)肯斯瓦特水文站(1957-2008年)和紅山嘴水文站(1954-1989年)的氣象資料，對(duì)降水量、氣溫及蒸發(fā)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

降水量：多年平均年降水量為340.1 mm，最大年降水量為634 mm(1958年)；最小年降水量為195.3 mm(1977年)，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配不均；最大與最小年降水量比值為3.25，降水量在年內(nèi)主要集中在4-8月份，約占全年降水量的70.1%，其中尤以5-7月份的降水量最為集中，約占全年降水量的47.6%。

氣溫：多年平均氣溫為6.2℃，極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫-32℃。

蒸發(fā)：多年平均蒸發(fā)量為1 605.2 mm(φ20 cm蒸發(fā)皿，下同)，最大月蒸發(fā)量301.9 mm(7月份)，最小月蒸發(fā)量9.6 mm(12月份)。

3 徑流特征

3.1 徑流代表性分析

根據(jù)水文測(cè)站收集數(shù)據(jù)，繪制肯斯瓦特站和紅山嘴站年徑流模比系數(shù)累積平均曲線和差積曲線，見(jiàn)圖1和圖2。從累積曲線可以看出，當(dāng)系列長(zhǎng)度達(dá)到50年時(shí)，兩水文站累積平均曲線趨勢(shì)接近1。從差積曲線可以看出，兩水文站的徑流包含了豐、平、枯過(guò)程，具有一定的代表性。

圖1 肯斯瓦特站年徑流代表性分析圖

圖2 紅山嘴站年徑流代表性分析圖

3.2 多年流量特征

據(jù)肯斯瓦特水文站1954-2008徑流系列資料統(tǒng)計(jì)，其多年平均流量39.13 m3/s，最大月平均流量為234 m3/s(1999年7月)，最小月平均流量為3.91 m3/s(1988年2月)。最大年徑流量為18.78×108m3(2002年)，最小年徑流量為9.37×108m3(1992年)，兩者比值為2.01，徑流年際變化較小。

據(jù)紅山嘴水文站1954-2008徑流系列資料統(tǒng)計(jì)，其多年平均流量42.01 m3/s，最大月平均流量為238 m3/s(1999年7月)，最小月平均流量為7.16 m3/s(1956年2月)。最大年徑流量為19.80×108m3(2002年)，最小年徑流量為10.33×108m3(1992年)，兩者比值為1.91，徑流年際變化也較小。

3.3 徑流量計(jì)算

徑流量計(jì)算采用肯斯瓦特站和紅山嘴站所測(cè)數(shù)據(jù)，采用面積內(nèi)插法，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W水為瑪納斯河水源地設(shè)計(jì)徑流量；W紅為紅山嘴站設(shè)計(jì)徑流量；W肯為肯斯瓦特站設(shè)計(jì)徑流量；S紅為紅山嘴站集水面積；S肯為肯斯瓦特站集水面積；S水為水源地集水面積。

按式(1)計(jì)算，得出瑪納斯河年徑流量結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 瑪納斯河水源地年徑流計(jì)算結(jié)果

4 洪水特征

4.1 洪水成因

瑪納斯河的洪水同天山山脈北坡諸河流一樣，均形成于山區(qū)。低山帶的洪水來(lái)源于暴雨，中山帶的洪水則源于積雪融水和暴雨，高山帶則以永久性積雪消融為主要洪水來(lái)源。基于瑪納斯河流域多年實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)，該河的洪水主要分為春洪和夏洪。春洪多為積雪融雪型洪水，夏洪除了以高山冰雪融水出現(xiàn)外，同時(shí)融入暴雨型洪水。

4.2 洪水特性

瑪納斯河流域3 100 m以上高山為終年積雪和冰川區(qū)，中低山區(qū)和丘陵區(qū)秋冬季積雪較厚。每年春季隨著氣溫的回升，山中積雪融化，4月下旬常出現(xiàn)春汛。7-8月份氣溫逐漸升高，年最大洪峰常出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)期，只有少數(shù)年份出現(xiàn)在6月份?，敿{斯河洪水以冰雪融水型洪水為主，兼有暴雨型洪水和混合型洪水，但大洪水多為混合型洪水?，敿{斯河年最大洪峰流量集中發(fā)生在6-8月份，特別是7月下旬至8月上旬。洪水主要產(chǎn)自中山帶，洪峰多年變幅大。山區(qū)山勢(shì)陡峻，河流縱坡大，流域天然調(diào)蓄能力弱，洪峰陡漲陡落，峰頂持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，單峰時(shí)間也短。

據(jù)肯斯瓦特水文站1955-2008年共53年(其中1975年停測(cè))實(shí)測(cè)洪水系列統(tǒng)計(jì)，瑪納斯河山區(qū)河段發(fā)生的最大洪峰流量為1 110 m3/s，發(fā)生在1999年8月2日；最小洪峰流量為192 m3/s，發(fā)生在2003年7月13日，兩者比值為5.8，由此可見(jiàn)瑪納斯河的洪水年際變化較大。在肯斯瓦特水文站53年實(shí)測(cè)洪水系列中，7月份出現(xiàn)最大流量的次數(shù)為32次，超過(guò)系列總數(shù)的一半，而在7月中旬至8月上旬的30天時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)最大流量的次數(shù)為43次，占系列總數(shù)的81.1%。

4.3 洪峰計(jì)算

本次計(jì)算采用可研階段收集到的肯斯瓦特站1955-2008年共54年的洪峰系列、紅山嘴站1954-2003共50年的洪峰系列，洪峰系列沒(méi)有延長(zhǎng)，系列長(zhǎng)度都大于30年，滿足規(guī)范要求。對(duì)比瑪納斯河肯斯瓦特站和紅山嘴站設(shè)計(jì)洪峰可知，肯斯瓦特站的設(shè)計(jì)洪峰小于紅山嘴站的設(shè)計(jì)洪峰。洪峰流量采用肯斯瓦特站和紅山嘴站的設(shè)計(jì)洪峰流量并利用面積內(nèi)插法得到，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Q水為瑪納斯河洪峰流量；Q紅為紅山嘴站設(shè)計(jì)徑流量；Q肯為肯斯瓦特站設(shè)計(jì)徑流量；S紅為紅山嘴站集水面積；S肯為肯斯瓦特站集水面積；S水為洪水期集水面積。

計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 瑪納斯河各水文站年最大洪峰流量計(jì)算結(jié)果

5 泥沙特征

瑪納斯河是一條多沙河流，泥沙來(lái)源于降雨融雪匯流對(duì)流域面的侵蝕以及水流對(duì)河道的沖刷。本文將對(duì)河流的懸移、推移質(zhì)泥沙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算泥沙總量。

5.1 懸移質(zhì)泥沙統(tǒng)計(jì)

選取紅山嘴站懸移質(zhì)泥沙1956-1978年的監(jiān)測(cè)資料。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，得出輸沙率介于0.15～433 kg/s，輸沙量介于0.034～115.97×104t，最高輸沙率與輸沙量均出現(xiàn)在7月份，最低輸沙率與輸沙量出現(xiàn)在2月份，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為270×104t。

5.2 推移質(zhì)泥沙的估算

由于瑪納斯河上測(cè)站均缺少推移質(zhì)泥沙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，本文基于懸移質(zhì)泥沙量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行估算。計(jì)算公式如下：

W推=β×W懸

(3)

式中：β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般在山區(qū)取0.15～0.30，此次計(jì)算在肯斯瓦特站斷面取β=0.20。

由式(3)得出，肯斯瓦特?cái)嗝娑嗄昶骄埔瀑|(zhì)輸沙量為W推=0.20×270=54.05×104t。

5.3 泥沙總量計(jì)算

根據(jù)以上對(duì)懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙的計(jì)算結(jié)果，得出該河多年平均輸沙總量為324.05×104t。

6 結(jié)論及建議

1)本文以肯斯瓦特和紅山嘴水文站近50年水文數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明瑪納斯河流域多年平均流量39.13～42.01 m3/s，最大年徑流量為18.78×108～19.80×108m3，最小年徑流量為9.37×108～10.33×108m3。

2)瑪納斯河年最大洪峰流量集中發(fā)生在6-8月份，最大洪峰流量為1 110 m3/s，最小洪峰流量為192 m3/s，采用面積內(nèi)插法得出不同頻率下年最大洪峰流量。

3)降雨融雪匯流對(duì)流域面的侵蝕以及水流對(duì)河道的沖刷導(dǎo)致瑪納斯河多沙，基于懸移與推移質(zhì)泥沙的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得出多年平均輸沙總量為324.05×104t。

4)建議持續(xù)開(kāi)展水文基礎(chǔ)資料的測(cè)量與記錄，統(tǒng)計(jì)分析徑流、洪水和泥沙等特征對(duì)瑪納斯河流域灌區(qū)的開(kāi)發(fā)利用，以及流域的規(guī)劃和管理等決策具有十分重要的意義。