故鄉(xiāng)河流域懸移質(zhì)特征研究

高 鵬

（新疆哈密水文勘測局，新疆 哈密 839000）

懸移質(zhì)泥沙主要是指懸浮在河道流水中、隨流水向下移動(dòng)的較細(xì)泥沙及膠質(zhì)物等，即在水流影響下，使黏土、細(xì)砂等質(zhì)量較輕的物質(zhì)在紊流作用下，懸浮在河床之上，混于水體之中。在全球各大圈層的物質(zhì)循環(huán)過程中，懸移質(zhì)泥沙均扮演著重要的角色，是河流物質(zhì)侵蝕輸移的重要表征值；同時(shí)也是水質(zhì)水環(huán)境評(píng)價(jià)的重要參數(shù)；并且懸移質(zhì)泥沙也被視為陸地環(huán)境變化最敏感的參數(shù)之一，尤其是冰川環(huán)境變化[1]。許多研究表明，冰川區(qū)具有較高的侵蝕作用，而且溫度越高，冰川區(qū)徑流中物質(zhì)侵蝕率越高，因此也將高寒區(qū)徑流的物質(zhì)侵蝕量視為未來氣候環(huán)境變化的指示劑[2-3]。

故鄉(xiāng)河流域是我國西部干旱區(qū)和極端干旱區(qū)較為典型的河流，具有少量冰川消融水補(bǔ)給，因此本文選擇以此流域進(jìn)行研究，對(duì)我國西部干旱區(qū)有冰川消融水補(bǔ)給的眾多中小流域具有普遍的意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

故鄉(xiāng)河流域在我國新疆哈密市境內(nèi)，主要由二道溝、三道溝二個(gè)小流域組成。在該流域海拔1500 m處設(shè)有白吉水文站（93°51′E，43°08′ N），水文站以上的控制面積為431 km2，河長47.3 km。流域最高峰為4750 m，平均高程為2857 m，平均坡降為53.7‰[4-5]。在流域4050 m以上范圍內(nèi)，常年覆蓋有積雪，冰川占地面積達(dá)到13 km2以上，占到流域整體面積的3%左右，對(duì)冰川儲(chǔ)量進(jìn)行估算，約在0.7074 km3。在流域范圍內(nèi)的中高山區(qū)部位，多為懸崖和裸露的巖石，植物數(shù)量較少；在流域范圍內(nèi)的中低山區(qū)部位，有著種類相對(duì)豐富的植被，如：在陰濕地帶可看見天山云杉、落葉松等植被；在河灘周邊區(qū)域能夠見到胡楊樹、冰草等織物。由于冰川消融水的補(bǔ)給作用，中低山區(qū)的植被明顯好于沒有冰川消融水的流域。故鄉(xiāng)河流域水系分布見圖1。

圖1 故鄉(xiāng)河流域水系分布圖

1.2 水文資料概況

白吉水文站始建于1955 年，該水文站負(fù)責(zé)觀測流域內(nèi)水位、流量、懸移質(zhì)泥沙（懸移質(zhì)泥沙監(jiān)測1985 年1 月開始，至今仍在監(jiān)測）等。多年監(jiān)測結(jié)果表明1956 年～2010 年該流域多年平均徑流量為0.5176×108m3，年徑流量最大值為0.8424×108m3（1961 年），年徑流量最小值為0.2470×108m3（1962 年），變差達(dá)3.4 倍；最大年洪峰流量為210 m3/s（1961 年），最小年洪峰流量為5.22 m3/s（1962年），變差高達(dá)40.2 倍；多年平均懸移質(zhì)輸沙量（下稱懸沙）3.275×104t，實(shí)測最多年懸移質(zhì)輸沙量12.4×104t（2007 年），最少年懸移質(zhì)輸沙量0.232×104t（2009年），變差53.4倍，懸移質(zhì)輸沙量遠(yuǎn)低于沒有冰川消融水補(bǔ)給區(qū)域普遍在百倍以上的特性，白吉水文站主要水文特性見表1、表2。

表1 故鄉(xiāng)河流域水文特性表

表2 故鄉(xiāng)河流域水文特性表

故鄉(xiāng)河流域的氣溫受流域地形因素影響較大，流域氣溫隨地形升高逐漸降低，在夏季，流域的低山區(qū)部位氣溫較高，具有明顯的炎熱感受，而在中高山部位則較為涼爽。這些水文特性基本代表了干旱區(qū)有冰川消融水補(bǔ)給流域的基本特征。

2 洪水類型

2.1 季節(jié)性融雪洪水

故鄉(xiāng)河流域擁有較多的高山區(qū)，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，流域的平均高程超過2800 m。在春季時(shí)，隨著流域內(nèi)氣溫逐漸上升，流域內(nèi)部分冰雪會(huì)逐漸消融，然后統(tǒng)一匯入到河流之中，進(jìn)而可能形成春季融雪洪水，洪水的實(shí)際大小與區(qū)域內(nèi)融化積雪量有著直接關(guān)系。通常此類洪水產(chǎn)生峰值相對(duì)不高，且表現(xiàn)出“一日一峰”的現(xiàn)象，從發(fā)生時(shí)間來看，多集中在4月～5月。

2.2 暴雨洪水

暴雨洪水通常發(fā)生在夏季，且多集中在6 月末到8 月這段時(shí)間，表現(xiàn)出洪水量大、峰值較高、破壞性高等特點(diǎn)。夏季流域內(nèi)屬于多雨時(shí)節(jié)，在局部連續(xù)性降雨一段時(shí)間后，雨水匯聚入故鄉(xiāng)河，便可能在短時(shí)間內(nèi)聚集起較多的水量，進(jìn)而形成洪水，通常此類洪水在雨停后形成，持續(xù)時(shí)間較短，但洪水峰值卻相對(duì)較高，具有較高的破壞性。

2.3 暴雨融冰雪混合型洪水

該種洪水類型主要指的是集合上述兩種洪水特征形成的混合型洪水。此類洪水的實(shí)際持續(xù)時(shí)間受到多方面因素影響，如：流域內(nèi)的暴雨降雨量、流域內(nèi)的氣溫情況等，但此類洪水通常表現(xiàn)出洪水量較大、持續(xù)時(shí)間較長等特點(diǎn)。

3 泥沙類型

流域范圍內(nèi)的土壤，在受到流水、雨水沖刷作用之后，會(huì)有少量的泥沙混入到水流之中，并逐漸匯聚到河流之中，這屬于河流重要的水文特征表現(xiàn)，是一種正常的自然現(xiàn)象。落實(shí)到具體來看，流域高山區(qū)部位屬于泥沙的主要侵蝕源地，也屬于河水主要補(bǔ)給地[6-8]。監(jiān)測該流域正常情況下的泥沙含量，普遍較小，但在爆發(fā)洪水的情況下，河流中含有的泥沙量會(huì)大幅增加，由于中低山區(qū)的植被明顯好于沒有冰川消融水的地方，故泥沙的輸移量遠(yuǎn)少于沒有冰川消融水的區(qū)域。

3.1 冰雪型洪水產(chǎn)生的泥沙

來自冰雪型洪水的泥沙貫穿于整個(gè)汛期，輸沙量取決于山區(qū)的氣溫高低，氣溫越高，洪峰流量就越大，輸沙率就越大。經(jīng)對(duì)流域內(nèi)懸移質(zhì)泥沙量持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測到其每年4 月下旬到5月上旬這段時(shí)間含量達(dá)到最大，而這段時(shí)間恰為流域的春洪時(shí)間段，由此可看出流域的泥沙輸送量與洪水有著直接性關(guān)系。

故鄉(xiāng)河流域每年都會(huì)在春季發(fā)生融雪洪水，來水量視山區(qū)氣溫變化，在沒有降水的情況下自然河道內(nèi)的流量一般每秒不超過5.0 m3，水中攜帶的泥沙含量通常較小。

3.2 暴雨型洪水產(chǎn)生的泥沙

6月下旬到8月中旬這段時(shí)間，是故鄉(xiāng)河流域洪水主要發(fā)生時(shí)間段，雖然從洪水實(shí)際發(fā)生次數(shù)來看，相對(duì)融雪型洪水次數(shù)較少，但每次洪水爆發(fā)都有著較高的強(qiáng)度，產(chǎn)生的破壞性較大，且洪水中攜帶有較多的泥沙。例如1998 年8 月13 日，故鄉(xiāng)河流域發(fā)生強(qiáng)降雨造成大洪水，最大洪峰流量達(dá)124 m3/s，該流量數(shù)值是平時(shí)流量的27 倍，從監(jiān)測到的懸移質(zhì)泥沙含量數(shù)據(jù)來看，最高達(dá)到95.9 kg/m3，是平時(shí)監(jiān)測數(shù)值的738倍。

3.3 暴雨冰雪混合型洪水產(chǎn)生的泥沙

該類洪水峰值較高，且含有泥沙量非常大，例2007 年7月17 日，發(fā)生暴雨冰雪混合型洪水，白吉水文站斷面的懸移質(zhì)輸沙高達(dá)10000 kg/s，是始漲時(shí)斷面輸沙率的1500 倍，斷面平均泥沙含量最高時(shí)達(dá)64.5 kg/m3，為漲水前一天最大含沙量的94 倍。

4 懸移質(zhì)泥沙量的計(jì)算

對(duì)于內(nèi)陸干旱地區(qū)而言，整體降水量較少，高山雪冰融水便成為內(nèi)陸河流的主要水源補(bǔ)給，因此當(dāng)前對(duì)雪冰徑流中的成分進(jìn)行仔細(xì)分析，能夠?qū)@得的數(shù)據(jù)作為水質(zhì)水環(huán)境評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。而河流中懸移質(zhì)泥沙量計(jì)算是反應(yīng)水質(zhì)的重要參數(shù)之一，可加強(qiáng)對(duì)其研究[9]。根據(jù)白吉水文站從1985 年～2010 年監(jiān)測到的懸移質(zhì)輸沙數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行綜合分析并計(jì)算，得到如表3所示的不同頻率懸移質(zhì)輸沙量數(shù)據(jù)。

表3 白吉水文站不同頻率懸移質(zhì)輸沙量

從表3可看出，故鄉(xiāng)河流域在1985年～2010 年這段時(shí)間內(nèi)，平均懸移質(zhì)輸沙量為3.275×104t。其在秋、冬這段時(shí)間內(nèi)的輸沙量相對(duì)較小，該時(shí)段河流內(nèi)水源主要通過地下水進(jìn)行補(bǔ)給，監(jiān)測到的輸沙量數(shù)據(jù)為零；而在春、夏兩個(gè)季節(jié)的輸沙量達(dá)到最大。對(duì)故鄉(xiāng)河流域多年懸移質(zhì)輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到如表4 所示的平均值，從表中數(shù)據(jù)可看出，故鄉(xiāng)河流域每年7 月份的懸移質(zhì)輸沙量達(dá)到最高，占到全年輸沙量的38.9%。同時(shí)對(duì)比各年、各季節(jié)懸移質(zhì)輸沙量，從中發(fā)現(xiàn)相同季節(jié)懸移質(zhì)輸沙量不存在明顯性變化，年內(nèi)徑流量、輸沙量變化都具有較強(qiáng)的相似性。

懸移質(zhì)輸沙量在年內(nèi)變化還有一個(gè)特別的情況，即某年一場特大洪水所攜帶的泥沙與洪峰流量關(guān)系密切，則洪水的年際變化大于徑流量的年際變化，白吉水文站年徑流量最大值為0.8424×108m3，最小值為0.2470×108m3，變差達(dá)3.4倍；最大年洪峰流量為210 m3/s，最小年洪峰流量為5.22 m3/s，變差達(dá)40.2 倍；年輸沙量最大年為12.4×104t，最小年為0.232×104t，變差達(dá)53.4 倍。故鄉(xiāng)河流域懸移質(zhì)輸沙量年內(nèi)分配，見表4和表5。

表4 多年各月份平均懸移質(zhì)輸沙量

表5 流域各季節(jié)懸移質(zhì)輸沙量

經(jīng)分析，研究區(qū)域懸移質(zhì)輸沙量的年際變化很大，從表6看出故鄉(xiāng)河流域有實(shí)測樣本系列26 年，年輸沙量大于多年均值的有8 年，少于多年均值的有14 年，屬特豐年份及特少年份分別為6 年和12 年，占總數(shù)的69.3%，正常輸沙年份（-10%≤距平≤10%）的懸移質(zhì)輸沙量僅占多年均值的15.4%，46.2%的年份河道中輸沙量屬特低輸沙年份。

表6 故鄉(xiāng)河年懸移質(zhì)輸沙量

懸移質(zhì)輸沙量必然受一些水文要素的影響，如：地質(zhì)特征、徑流大小、洪水情況等，而相關(guān)水文要素在我國西部干旱區(qū)表現(xiàn)出較高的相似性（主要指具有冰川消融補(bǔ)給的河流），即某年最大洪峰次罕見的洪水所攜帶的泥沙可能是多年均值的數(shù)倍，例如1998 年和2007 年的懸移質(zhì)泥沙總量達(dá)23.9×104t，分別為流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量的3.5 倍和3.8倍。而在無冰川消融水補(bǔ)給的流域里，如哈密地區(qū)頭道溝流域，其懸移質(zhì)輸沙量正常年份變化不大，其中1986 年～2006 年連續(xù)21年的平均值僅2.12×104t，最多的1993年懸移質(zhì)輸沙量5.90×104t，為多年平均值的2.8倍。由此也可以看出，有無冰川融水補(bǔ)給對(duì)河流懸移質(zhì)含量也存在較大影響。

為了分析影響懸移質(zhì)輸沙量的主要因素，分別與相關(guān)影響因素進(jìn)行綜合分析，白吉水文站懸移質(zhì)輸沙量到底與哪個(gè)水文要素的關(guān)系最為密切，或?yàn)橹饕蛩?，本次懸移質(zhì)輸沙量的分析分別與流域同期徑流量、降水量、洪峰流量進(jìn)行相關(guān)分析見圖2、圖3、圖4，發(fā)現(xiàn)白吉水文站水文站年懸移質(zhì)輸沙量與當(dāng)年徑流量、降水量的關(guān)系不大，但與流域同期洪峰流量相關(guān)計(jì)算中多項(xiàng)式相關(guān)的相關(guān)系數(shù)為0.95，相關(guān)方程R=0.7739x2+1.6533x+21.224，表明白吉水文站懸移質(zhì)輸沙量與年最大洪峰流量關(guān)系極為密切，可以說影響流域懸移質(zhì)輸沙量的關(guān)鍵因素是洪峰流量。

圖2 年輸沙量與年徑流相關(guān)分析圖

圖3 年輸沙量與年降水量相關(guān)分析圖

圖4 年輸沙量與年洪峰流量相關(guān)分析圖

相關(guān)研究也表明，徑流的季節(jié)變化是徑流輸沙量變化最重要的影響因素，冰雪消融能量、積雪分布以及泥沙補(bǔ)給等都是影響徑流輸沙的次要因素。同時(shí)，較大的水動(dòng)力條件以及雪冰中較高濃度的不溶物質(zhì)的補(bǔ)給，也導(dǎo)致徑流中泥沙的濃度增大，因此冰川消融強(qiáng)烈且融水對(duì)河流補(bǔ)給較大時(shí)，河流中的懸移質(zhì)物質(zhì)含量較高。

5 結(jié)語

故鄉(xiāng)河流域的懸移質(zhì)輸沙特征，反映了我國西部干旱區(qū)有冰川消融水補(bǔ)給的中小河流的懸移質(zhì)輸沙基本運(yùn)行規(guī)律和特點(diǎn)。其懸移質(zhì)輸沙量遠(yuǎn)低于沒有冰川消融水補(bǔ)給的流域，我們?cè)谶M(jìn)行懸移質(zhì)輸沙率計(jì)算時(shí)采用常規(guī)的水文統(tǒng)計(jì)方法即可。