塔里木河干流上游河段造床流量計(jì)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(kù)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(duì)于無(wú)防洪規(guī)劃的平原區(qū)河段，河段造床流量對(duì)應(yīng)的水位與陸域的交線用來(lái)作為岸線控制線的臨水線[1]，而臨水控制線用來(lái)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(hù)和利用河道（湖泊）岸線的空間，實(shí)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(dòng)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(duì)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(gè)典型河段，采用馬卡維也夫法計(jì)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(tái)特瑪湖，河長(zhǎng)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(zhǎng)486 km，英巴扎-卡拉河段是干流中游河段，全長(zhǎng)398 km，卡拉-臺(tái)特瑪湖河段為干流下游河段，全長(zhǎng)428 km。

塔里木河干流流域面積1.76萬(wàn)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(lái)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(wú)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(kāi)發(fā)，對(duì)流域水資源的過(guò)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(tái)特瑪湖水面消失，嚴(yán)重威脅流域的生態(tài)環(huán)境，2000年以后塔里木河干流實(shí)施流域綜合治理，用開(kāi)都河的水經(jīng)博斯騰湖利用揚(yáng)水泵站輸入到塔里木河干流，實(shí)現(xiàn)生態(tài)輸水，臺(tái)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(dá)到了70多億m3，有效補(bǔ)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(jì)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(guò)程如下[3]：

1）將計(jì)算河段歷年實(shí)測(cè)流量分為若干相等的流量級(jí)，并計(jì)算該級(jí)流量的平均值Q。

2）確定各級(jí)流量級(jí)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(jí)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(jí)流量的平均值；Gs為與Q相應(yīng)的實(shí)測(cè)斷面輸沙率。

5）算出每一級(jí)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(duì)于水文資料的要求較高，要有多年實(shí)測(cè)的流量過(guò)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(jì)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(gè)國(guó)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(zhǎng)期觀測(cè)的水文資料，滿足馬卡維也夫法理論的要求。為了確保計(jì)算結(jié)果具有可比性，消除相同因素的影響，在造床流量計(jì)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(shí)測(cè)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(duì)樣本數(shù)據(jù)不產(chǎn)生干擾。

根據(jù)多年實(shí)測(cè)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(gè)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(gè)區(qū)間，將實(shí)測(cè)流量樣本數(shù)據(jù)按照大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排序，計(jì)算出每個(gè)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(gè)數(shù)所占樣本總數(shù)的頻率P，部分Q和對(duì)應(yīng)P的值見(jiàn)表1。

表1 部分各級(jí)平均流量Q和對(duì)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(jìn)行擬合，擬合曲線見(jiàn)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(shí)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(lái)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(duì)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(duì)河道縱斷面實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，阿拉爾至新其滿河段河勢(shì)會(huì)出現(xiàn)游蕩型變化，但各級(jí)流量下河道比降J變化不大，實(shí)測(cè)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(jì)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(diǎn)繪出阿拉爾河段、新其滿河段Q-QmJP關(guān)系曲線，見(jiàn)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(shì)，以干流上游阿拉爾河段為起始點(diǎn)，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(zhǎng)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(jì)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(jì)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(duì)水文資料要求較高，塔里木河干流上游能滿足計(jì)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(jìn)行外延推求出來(lái)的英巴扎河段造床流量精度較低，可作為參考。