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概況

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

瑪納斯河流域灌區位于天山北坡經濟開發區核心地帶，地處準噶爾盆地，南臨依連哈爾尕山，北接古爾班通古特沙漠，東側為塔西河，西側為巴音溝河，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 水文站及基礎資料來源

瑪納斯河流域自1952年開始，設有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觀測至今，觀測項目僅存水位、流量；干流上的肯斯瓦特水文站主要監測水位、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站。

本次研究的水文基礎資料均來源于水文站建站后年實測資料。紅山嘴水文站在1995年撤消以后，交由自治區瑪納斯河管理處管理，雖然改為水管站，但該站測驗設備未改變，測流方式仍沿用以前的測流方式；汛期視水情變化，每日人工觀測4～8次不等，非汛期水位每日觀測1～2次。流量使用水位流量關系推求，采用流速不定期校驗水位-流量關系。肯斯瓦特水文站基本上控制了瑪納斯河上的全部徑流，距下游紅山嘴水文站約30 km；水文站測驗規范、整編方法和成果精度等符合部頒規范規定，資料的質量和精度符合設計使用要求。

2.2 氣象特征

根據肯斯瓦特水文站(1957-2008年)和紅山嘴水文站(1954-1989年)的氣象資料，對降水量、氣溫及蒸發特征進行統計。

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，年內分配不均；最大與最小年降水量比值為3.25，降水量在年內主要集中在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：多年平均蒸發量為1 605.2 mm(φ20 cm蒸發皿，下同)，最大月蒸發量301.9 mm(7月份)，最小月蒸發量9.6 mm(12月份)。

3 徑流特征

3.1 徑流代表性分析

根據水文測站收集數據，繪制肯斯瓦特站和紅山嘴站年徑流模比系數累積平均曲線和差積曲線，見圖1和圖2。從累積曲線可以看出，當系列長度達到50年時，兩水文站累積平均曲線趨勢接近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

據肯斯瓦特水文站1954-2008徑流系列資料統計，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。

據紅山嘴水文站1954-2008徑流系列資料統計，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 徑流量計算

徑流量計算采用肯斯瓦特站和紅山嘴站所測數據，采用面積內插法，計算公式如下：

(1)

式中：W水為瑪納斯河水源地設計徑流量；W紅為紅山嘴站設計徑流量；W肯為肯斯瓦特站設計徑流量；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)計算，得出瑪納斯河年徑流量結果，見表1。

表1 瑪納斯河水源地年徑流計算結果

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。低山帶的洪水來源于暴雨，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源。基于瑪納斯河流域多年實測洪水數據，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外，同時融入暴雨型洪水。

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，中低山區和丘陵區秋冬季積雪較厚。每年春季隨著氣溫的回升，山中積雪融化，4月下旬常出現春汛。7-8月份氣溫逐漸升高，年最大洪峰常出現在這個時期，只有少數年份出現在6月份。瑪納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。瑪納斯河年最大洪峰流量集中發生在6-8月份，特別是7月下旬至8月上旬。洪水主要產自中山帶，洪峰多年變幅大。山區山勢陡峻，河流縱坡大，流域天然調蓄能力弱，洪峰陡漲陡落，峰頂持續時間不長，單峰時間也短。

據肯斯瓦特水文站1955-2008年共53年(其中1975年停測)實測洪水系列統計，瑪納斯河山區河段發生的最大洪峰流量為1 110 m3/s，發生在1999年8月2日；最小洪峰流量為192 m3/s，發生在2003年7月13日，兩者比值為5.8，由此可見瑪納斯河的洪水年際變化較大。在肯斯瓦特水文站53年實測洪水系列中，7月份出現最大流量的次數為32次，超過系列總數的一半，而在7月中旬至8月上旬的30天時間內，出現最大流量的次數為43次，占系列總數的81.1%。

4.3 洪峰計算

本次計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，洪峰系列沒有延長，系列長度都大于30年，滿足規范要求。對比瑪納斯河肯斯瓦特站和紅山嘴站設計洪峰可知，肯斯瓦特站的設計洪峰小于紅山嘴站的設計洪峰。洪峰流量采用肯斯瓦特站和紅山嘴站的設計洪峰流量并利用面積內插法得到，計算公式如下：

(2)

式中：Q水為瑪納斯河洪峰流量；Q紅為紅山嘴站設計徑流量；Q肯為肯斯瓦特站設計徑流量；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。

計算成果見表2。

表2 瑪納斯河各水文站年最大洪峰流量計算結果

5 泥沙特征

瑪納斯河是一條多沙河流，泥沙來源于降雨融雪匯流對流域面的侵蝕以及水流對河道的沖刷。本文將對河流的懸移、推移質泥沙進行統計，并計算泥沙總量。

5.1 懸移質泥沙統計

選取紅山嘴站懸移質泥沙1956-1978年的監測資料。經統計，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在7月份，最低輸沙率與輸沙量出現在2月份，多年平均懸移質輸沙量為270×104t。

5.2 推移質泥沙的估算

由于瑪納斯河上測站均缺少推移質泥沙監測數據。因此，本文基于懸移質泥沙量，根據經驗公式法進行估算。計算公式如下：

W推=β×W懸

(3)

式中：β為經驗系數，一般在山區取0.15～0.30，此次計算在肯斯瓦特站斷面取β=0.20。

由式(3)得出，肯斯瓦特斷面多年平均推移質輸沙量為W推=0.20×270=54.05×104t。

5.3 泥沙總量計算

根據以上對懸移質泥沙和推移質泥沙的計算結果，得出該河多年平均輸沙總量為324.05×104t。

6 結論及建議

1)本文以肯斯瓦特和紅山嘴水文站近50年水文數據資料為基礎進行統計分析，結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，采用面積內插法得出不同頻率下年最大洪峰流量。

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

4)建議持續開展水文基礎資料的測量與記錄，統計分析徑流、洪水和泥沙等特征對瑪納斯河流域灌區的開發利用，以及流域的規劃和管理等決策具有十分重要的意義。