塔里木河中下游生態監測水文設備分析研究

謝 葆

(巴音郭楞水文勘測局,新疆 庫爾勒 841000)

1 河流水系

塔里木河流域位于塔里木盆地北緣,介于E80°50′～88°52′,N39°26′～41°44′之間流域有九大系統組成。塔里木河干流沿塔里木盆地北部邊緣由西向東蜿蜒行進在塔克拉瑪干沙漠東部,最后注入臺特瑪湖。

塔里木河為中國第一大內陸河,它由葉爾羌河、和田河、阿克蘇河等匯合而成,河水很不穩定,被稱為“無韁的野馬”。 塔里木河流域位于新疆南部,在天山山脈和昆侖山脈之間,東西長1100 km,南北寬600 km,是世界上最大的內陸河流域,從最長的源流—葉爾羌河流域算起,到塔里木河尾閭—臺特瑪湖,長2400 km,我國最大世界第二大的流動沙漠塔克拉瑪干沙漠位于其中部。盆地總面積105萬km2,其中,沙漠面積37.04萬km2。

塔里木河干流全長為1321km,自身不產流,屬于平原性河流。現屬季節性河流,冬春季經常斷流。從肖夾克到英巴扎為塔里木河上游段,河道長為495km,縱坡在1/4600～1/6300間,河床下切深度2～4m,河道比較順直,少有汊流,水面寬一般在500～1000m,河漫灘發育,階地不明顯。英巴扎至恰拉為中游段,河道長度398km,河道縱坡在1/5700～1/7700間,水面寬度一般在200～500m,河道彎曲,水流緩慢,土質松散,泥沙沉積嚴重,河床不斷抬升,加之人為扒口,致使中游河段形成眾多汊口;恰拉至臺特瑪湖為下游段,河長428km,河道縱坡較中游段大,在1/4500～1/7900,河床下切一般為3～5m,河床寬100m左右,比較穩定。

塔里木河中、下游設有英巴扎斷面、烏斯滿斷面、恰拉龍口斷面、大西海子斷面、大西海子放水閘斷面等5個監測斷面,其中前4個斷面由水文系統監測,后一個由塔河管理站監管。

2 氣候特征

塔里木河流遠離海洋,氣候干燥,具有中溫帶大陸性干旱氣候特征,屬于典型的大陸性氣候,冬冷夏熱,日溫差較大,光照充足,熱量豐富,雨量稀少,蒸發量大。水汽來源主要來自濕潤的北風氣流,其次為西北部的北冰洋氣流,降水年際變化不大,年內降水主要集中在5～9月。

各斷面水文氣候特征,英巴扎斷面多年測得最高氣溫為44.5℃,出現在2002年8月4日;測得最低氣溫-28.1℃,出現在2008年1月31日;多年平均氣溫為11.1℃;多年平均降水量61.4mm;多年平均蒸發量2079.5mm。烏斯滿斷面沒有氣象觀測項目。恰拉龍口斷面多年測得最高氣溫為47.0℃,出現在2015年7月27日;測得最低氣溫-27.4℃,出現在2011年1月29日;多年平均氣溫為11.3℃;多年平均降水量31.4mm;多年平均蒸發量2154.5mm。大西海子斷面沒有氣象觀測項目。

3 測站特性

英巴扎水文站位于新疆輪臺縣輪南鎮英巴扎村,監測塔里木河中游水量的控制站,是水流沙及降蒸、水氣溫的國家基本水文站。河床質由細沙組成,兩岸有稀疏植被,河床較不穩定。測驗河段復雜,高水時河寬600m有余。現左右岸有漿砌石防洪堤,但高水時,洪水繞過防洪堤,造成左右漫灘。基本斷面上游100m河流向左彎曲。基本水尺斷面設在公路橋下游,此處測驗斷面略有收縮,中低水斷面控制較好;高水時,漫灘較大。由于河床沖淤變化大,測驗斷面附近,左岸河底沖蝕,右岸淤積緩慢抬高。水位流量關系主要受塔里木河干流洪水漲落影響;關系較為復雜,高洪期一般出現在8～9月份。

該站歷年最高水位931.67m,出現于2022年9月2日;歷年最大流量為954m3/s,出現于2022年9月2日;多年平均流量為87.1m3/s;最大含沙量為12.2kg/m3,出現在2015年7月6日;最大年徑流量61.86×108m3,出現時間2017年;最小年徑流量1.825×108m3,出現時間2009年;多年平均徑流量27.51×108m3。

烏斯滿水文站位于新疆尉犁縣卡爾曲尕鄉,是監測塔里木河中游水流及泥沙的國家基本水文站。測驗河段順直約為500m,上游210m處建有烏斯滿樞紐閘門。高水河寬約為105m,斷面形狀呈U形,河床質由細砂組成,左右岸為鉛絲籠塊石防洪堤。高水無逆流、回水、死水等現象,低水期有岔流、串溝現象。兩岸植被稀少,有少許紅柳灌木叢。高水期斷面控制較好,低水期斷面控制情況較差。斷面主流受上游樞紐閘門啟閉影響擺動頻繁,屬經常性沖淤變化河道[1]。

基本水尺斷面設有搪瓷直立式水尺于河左岸,實施人工觀測。自記水位計有超聲波水位計及雷達水位計,設在基本水尺斷面,自記水位計記錄水位過程,每日人工校核二次。

烏斯滿塔里木河斷面,歷年最高水位905.52m,出現于2016年9月19日,對應流量為292m3/s,是實測歷年最大流量;多年平均流量為43.6m3/s;最大年徑流量25.87×108m3,出現時間2017年;最小年徑流量0.3226×108m3,出現時間2009年;多年平均徑流量13.75×108m3。

下游恰拉水文站位于新疆尉犁縣境內,E87°23′,N40°37′。為塔里木河綜合治理提供基本水文資料,掌握監測斷面處塔里木河干流來水情況(水位、流量、泥沙及水質)和孔雀河由庫塔干渠注入塔里木河退水渠的水位、水量、泥沙及水質情況。是塔里木河干流流入下游河段的基本水量控制站,也是塔里木河重要的生態觀測站。該站有4個基本斷面,其中,塔里木河斷面以上為塔里木河中游河段,斷面以下為塔里木河下游河段;庫塔干渠斷面是開都河～孔雀河流域水量流入塔里木河的最末控制站;恰拉水庫斷面及恰拉干渠斷面均為塔里木灌區水量控制站。

基本水尺斷面設有搪瓷直立式水尺于河左岸,汛期采用自記水位計。其余時間實施人工觀測。自記水位計雷達水位計及超聲波水位計,都設在基本水尺斷面,自記水位計記錄水位過程,每日人工校核二次。

塔里木河斷面歷年最高水位872.90m,出現在2017年9月22日;流量為188m3/s,是歷年最大流量,出現在2016年9月22日;多年平均流量為20.7m3/s;最大年徑流量16.56×108m3,出現時間2017年;最小年徑流量0.1853×108m3,出現時間2008年;多年平均徑流量6.461×108m3。

大西海子水文站位于巴州尉犁縣境內農二師恰拉水管處大西海子水庫管理站旁邊。測站庭院距218國道5km,距農二師34團團部20km。測驗斷面設在大西海子水庫泄水閘下游250m的河道上,距測站庭院3km。該站是向塔里木河下游綠色走廊輸水的重要水量控制站,對大西海子水庫下泄到塔里木河下游的水資源量起著至關重要的控制作用。

斷面上游250m為大西海子水庫大壩泄洪閘門,下游無水工設施。測驗河段順直,河床由泥沙組成。河槽近似于梯形,高、中、低水無岔流竄溝等,斷面較為穩定。

觀測項目主要有水位、流量、普通測量、水質等。該站歷年最高水位846.94m,出現在2010年11月4日,歷年最大流量為71.8m3/s,出現在2011年8月10日;多年平均流量為6.82m3/s;最大年徑流量6.215×108m3,出現時間2017年;多年平均徑流量2.146×108m3。

該站距勘測局所在地庫爾勒市200km ,交通較為不便,水、電、設備不全。

現有一套水文系統監測,資料連貫,資料質量有保障。

該斷面正南方約3800m處另有一斷面為大西海子放水閘斷面,由塔河管理站監管,年徑流量約為3.8×108m3。

4 先進水文測驗設備

近年來,涌現出一批先進水文測驗儀器設施設備,其中自記水位計有雷達水位計、超聲波水位計、壓力式水位計,測流設備有多普勒剖面測速儀(ADCP)、 RJ-30測速儀、側掃雷達。

適合塔里木河斷面的水位設備有雷達水位計、超聲波水位計,根據現有條件已在各斷面安裝相關設備。塔里木河水中含沙量較高,無法使用多普勒剖面測速儀(ADCP),塔里木河夏季洪水期,流沙較大,含沙量較大,實驗證明塔里木河上,中游河段不適宜使用多普勒剖面測速儀(ADCP)。 而RJ-30測速儀、側掃雷達都是測量水面流速的設備,塔里木河屬寬淺式河流,小水時水流經常分叉不集中,不適合采用RJ-30測速儀及側掃雷達;中高水時,水流集中,但河道較寬,測流時間較長,現有條件是測站人員較少,河流來水時間較短,測站短時間里無法組織人員進行儀器比測實驗分析研究,故當前,RJ-30測速儀及側掃雷達還在處于試運行階段。請有關部門,引起高度重視此項工作,確實發揮先進儀器設備在我區的廣泛運用,提高工作效率的作用,能否組織一批專業人員,根據塔里木河河流特性,實驗研究出一批能在本地發揮充分作用的先進測流設備。

5 水文監測的做法和經驗

水文監測工作,每日定時看水位,遵循河流水量變化情況,設定每月測流次數,并且在河流水量變化大的情況下,隨時加測流量,必須掌握每一次來水變化的全過程,尋找測流斷面水位與流量的關系,在保障精度的情況下簡化測驗手段。盡最大可能掌握測流河道的水文變化規律,為水利工程、環境保護提供精度高的一手水文資料,為經濟建設服務。

在作水文分析計算中,首先,要對所運用的資料進行審查,一般進行資料的可靠性、一致性和代表性審查。水文資料采集、收集時,都非常注意了資料可靠性、一致性。所以,資料在這些方面保證性是很高的。資料的代表性是指樣本資料的統計特性能否很好的反映總體的統計特性。代表性好,在實際水文分析計算中誤差就小; 反之,實際誤差就不好確定。

隨著我國社會經濟的不斷發展,環境問題越加突出。由于一味追求經濟效益而導致自然環境嚴重受損的現象逐漸頻繁起來,自然災害中與水相關的問題對人們的生命安全與財產安全帶來很大影響,因此減少并防治水文災害的發生刻不容緩。水文監測工作是我國地理基礎工作中十分重要的環節,為我國塔里木胡楊林生態林提供有效地參考資料,在環境生態保護工作中發揮著至關重要的作用。水文監測有利于推動社會公眾服務,促進政府實行決策職能,是工程建設管理、水資源管理和水利規劃設計的堅實基礎。我國水文信息、水文觀測項目、水文監測手段在發展的過程中取得了很大進步,隨著當今社會科技水平的不斷提高,對這三方面的要求也在不斷拔高。為了推進我國水文監測工作的有效進行,相關部門在該方面進行了相關研究與分析。

6 存在的問題

測驗斷面不規范。英巴扎水文測驗斷面為自然河道砂土質河床,河床較不穩定,斷面設在英巴扎大橋下游,水流受橋墩阻水影響較大,特別是洪水期間,斷面處水流受到橋墩作用,形成一定范圍的漩渦、回流,導致部分區域河床掏挖嚴重,水深、流速失真,故而水位、流量、泥沙測驗精度受到影響。

烏斯滿水文測驗斷面為自然河道砂土質河床,河床較不穩定,還有斷面主流受上游樞紐閘門啟閉影響擺動頻繁,屬經常性沖淤變化河道。目前我們采用固定垂線流速儀法測流,水流中弘頻繁擺動對流量、泥沙測驗精度影響較大。

恰拉龍口水文測驗斷面為自然河道砂土質河床,河床較不穩定,再有斷面主流受上游樞紐閘門啟閉影響擺動頻繁,屬經常性沖淤變化河道。目前我們采用纜道垂線流速儀法測流,且起點距標記不夠精準,水流中弘頻繁擺動對流量測驗精度影響較大。

大西海子水文測驗斷面為自然河道砂土質河床,河床較不穩定,受上游閘口來水,河床極易變化,容易造成深溝積水,給測流工作帶來不便,也在一定程度上影響資料精度。交通不便。站房到河道測驗斷面約3.7km觀測道路為泥土路平時路面高低不平,車輛較難行走,特別是遇上下雨天,道路泥濘積水,道路無法通行。斷面沒有交流電源,不便于使用現代化測驗儀器,也不便于水文數據傳輸。

7 結 語

1) 整治斷面,規范斷面,英巴扎水文測驗斷面應下遷200m,根據現有條件,選用流速儀法測流由機動車牽引較為適宜。

烏斯滿水文測驗斷面,沒有更好的可以取代現有的測驗設備,保持現有儀器設備。在合適的時間可硬化測驗斷面河底,長度應為100m,進一步提高測驗精度。

恰拉龍口水文測驗斷面,應架設吊箱纜道,提高流量測驗精度。在合適的時間可硬化測驗斷面河底,長度應為100m,進一步提高測驗精度。

縮窄大西海子水文站測驗斷面至30～40m,架設一座桁架橋(參照生態放水斷面測橋)作為測橋,固化斷面兩岸,硬化河底。

2)升級現有測流設備,為現代化水文服務,提供技術及人才儲備條件,可在各斷面建測橋(吊箱纜道),并安裝2～3個雷達水位計探頭及RJ-30測速儀,布設3～4個測速儀探頭,用來觀測水位,測算水面流速,推求過水斷面流量。

3)根據大西海子水文站,每年3.5×108m3/s的徑流量,塔里木河河水中的泥沙經過大西海子沉淀,含沙量有明顯的減小,可配備一臺多普勒剖面測速儀(ADCP)進行流量測驗。整治大西海子水文站房到河道測驗斷面約3.7km觀測道路。加大人員巡測密度。

4)各斷面,應實現SIM和衛星通信兩套設備。