高 鹏

（新疆哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000）

悬移质泥沙主要是指悬浮在河道流水中、随流水向下移动的较细泥沙及胶质物等，即在水流影响下，使黏土、细砂等质量较轻的物质在紊流作用下，悬浮在河床之上，混于水体之中。在全球各大圈层的物质循环过程中，悬移质泥沙均扮演着重要的角色，是河流物质侵蚀输移的重要表征值；同时也是水质水环境评价的重要参数；并且悬移质泥沙也被视为陆地环境变化最敏感的参数之一，尤其是冰川环境变化[1]。许多研究表明，冰川区具有较高的侵蚀作用，而且温度越高，冰川区径流中物质侵蚀率越高，因此也将高寒区径流的物质侵蚀量视为未来气候环境变化的指示剂[2-3]。

故乡河流域是我国西部干旱区和极端干旱区较为典型的河流，具有少量冰川消融水补给，因此本文选择以此流域进行研究，对我国西部干旱区有冰川消融水补给的众多中小流域具有普遍的意义。

1 研究区概况

1.1 地理位置

故乡河流域在我国新疆哈密市境内，主要由二道沟、三道沟二个小流域组成。在该流域海拔1500 m处设有白吉水文站（93°51′E，43°08′ N），水文站以上的控制面积为431 km2，河长47.3 km。流域最高峰为4750 m，平均高程为2857 m，平均坡降为53.7‰[4-5]。在流域4050 m以上范围内，常年覆盖有积雪，冰川占地面积达到13 km2以上，占到流域整体面积的3%左右，对冰川储量进行估算，约在0.7074 km3。在流域范围内的中高山区部位，多为悬崖和裸露的岩石，植物数量较少；在流域范围内的中低山区部位，有着种类相对丰富的植被，如：在阴湿地带可看见天山云杉、落叶松等植被；在河滩周边区域能够见到胡杨树、冰草等织物。由于冰川消融水的补给作用，中低山区的植被明显好于没有冰川消融水的流域。故乡河流域水系分布见图1。

图1 故乡河流域水系分布图

1.2 水文资料概况

白吉水文站始建于1955 年，该水文站负责观测流域内水位、流量、悬移质泥沙（悬移质泥沙监测1985 年1 月开始，至今仍在监测）等。多年监测结果表明1956 年～2010 年该流域多年平均径流量为0.5176×108m3，年径流量最大值为0.8424×108m3（1961 年），年径流量最小值为0.2470×108m3（1962 年），变差达3.4 倍；最大年洪峰流量为210 m3/s（1961 年），最小年洪峰流量为5.22 m3/s（1962年），变差高达40.2 倍；多年平均悬移质输沙量（下称悬沙）3.275×104t，实测最多年悬移质输沙量12.4×104t（2007 年），最少年悬移质输沙量0.232×104t（2009年），变差53.4倍，悬移质输沙量远低于没有冰川消融水补给区域普遍在百倍以上的特性，白吉水文站主要水文特性见表1、表2。

表1 故乡河流域水文特性表

表2 故乡河流域水文特性表

故乡河流域的气温受流域地形因素影响较大，流域气温随地形升高逐渐降低，在夏季，流域的低山区部位气温较高，具有明显的炎热感受，而在中高山部位则较为凉爽。这些水文特性基本代表了干旱区有冰川消融水补给流域的基本特征。

2 洪水类型

2.1 季节性融雪洪水

故乡河流域拥有较多的高山区，据统计数据显示，流域的平均高程超过2800 m。在春季时，随着流域内气温逐渐上升，流域内部分冰雪会逐渐消融，然后统一汇入到河流之中，进而可能形成春季融雪洪水，洪水的实际大小与区域内融化积雪量有着直接关系。通常此类洪水产生峰值相对不高，且表现出“一日一峰”的现象，从发生时间来看，多集中在4月～5月。

2.2 暴雨洪水

暴雨洪水通常发生在夏季，且多集中在6 月末到8 月这段时间，表现出洪水量大、峰值较高、破坏性高等特点。夏季流域内属于多雨时节，在局部连续性降雨一段时间后，雨水汇聚入故乡河，便可能在短时间内聚集起较多的水量，进而形成洪水，通常此类洪水在雨停后形成，持续时间较短，但洪水峰值却相对较高，具有较高的破坏性。

2.3 暴雨融冰雪混合型洪水

该种洪水类型主要指的是集合上述两种洪水特征形成的混合型洪水。此类洪水的实际持续时间受到多方面因素影响，如：流域内的暴雨降雨量、流域内的气温情况等，但此类洪水通常表现出洪水量较大、持续时间较长等特点。

3 泥沙类型

流域范围内的土壤，在受到流水、雨水冲刷作用之后，会有少量的泥沙混入到水流之中，并逐渐汇聚到河流之中，这属于河流重要的水文特征表现，是一种正常的自然现象。落实到具体来看，流域高山区部位属于泥沙的主要侵蚀源地，也属于河水主要补给地[6-8]。监测该流域正常情况下的泥沙含量，普遍较小，但在爆发洪水的情况下，河流中含有的泥沙量会大幅增加，由于中低山区的植被明显好于没有冰川消融水的地方，故泥沙的输移量远少于没有冰川消融水的区域。

3.1 冰雪型洪水产生的泥沙

来自冰雪型洪水的泥沙贯穿于整个汛期，输沙量取决于山区的气温高低，气温越高，洪峰流量就越大，输沙率就越大。经对流域内悬移质泥沙量持续监测，监测到其每年4 月下旬到5月上旬这段时间含量达到最大，而这段时间恰为流域的春洪时间段，由此可看出流域的泥沙输送量与洪水有着直接性关系。

故乡河流域每年都会在春季发生融雪洪水，来水量视山区气温变化，在没有降水的情况下自然河道内的流量一般每秒不超过5.0 m3，水中携带的泥沙含量通常较小。

3.2 暴雨型洪水产生的泥沙

6月下旬到8月中旬这段时间，是故乡河流域洪水主要发生时间段，虽然从洪水实际发生次数来看，相对融雪型洪水次数较少，但每次洪水爆发都有着较高的强度，产生的破坏性较大，且洪水中携带有较多的泥沙。例如1998 年8 月13 日，故乡河流域发生强降雨造成大洪水，最大洪峰流量达124 m3/s，该流量数值是平时流量的27 倍，从监测到的悬移质泥沙含量数据来看，最高达到95.9 kg/m3，是平时监测数值的738倍。

3.3 暴雨冰雪混合型洪水产生的泥沙

该类洪水峰值较高，且含有泥沙量非常大，例2007 年7月17 日，发生暴雨冰雪混合型洪水，白吉水文站断面的悬移质输沙高达10000 kg/s，是始涨时断面输沙率的1500 倍，断面平均泥沙含量最高时达64.5 kg/m3，为涨水前一天最大含沙量的94 倍。

4 悬移质泥沙量的计算

对于内陆干旱地区而言，整体降水量较少，高山雪冰融水便成为内陆河流的主要水源补给，因此当前对雪冰径流中的成分进行仔细分析，能够将获得的数据作为水质水环境评价的重要参数。而河流中悬移质泥沙量计算是反应水质的重要参数之一，可加强对其研究[9]。根据白吉水文站从1985 年～2010 年监测到的悬移质输沙数据信息，进行综合分析并计算，得到如表3所示的不同频率悬移质输沙量数据。

表3 白吉水文站不同频率悬移质输沙量

从表3可看出，故乡河流域在1985年～2010 年这段时间内，平均悬移质输沙量为3.275×104t。其在秋、冬这段时间内的输沙量相对较小，该时段河流内水源主要通过地下水进行补给，监测到的输沙量数据为零；而在春、夏两个季节的输沙量达到最大。对故乡河流域多年悬移质输沙量进行统计计算，得到如表4 所示的平均值，从表中数据可看出，故乡河流域每年7 月份的悬移质输沙量达到最高，占到全年输沙量的38.9%。同时对比各年、各季节悬移质输沙量，从中发现相同季节悬移质输沙量不存在明显性变化，年内径流量、输沙量变化都具有较强的相似性。

悬移质输沙量在年内变化还有一个特别的情况，即某年一场特大洪水所携带的泥沙与洪峰流量关系密切，则洪水的年际变化大于径流量的年际变化，白吉水文站年径流量最大值为0.8424×108m3，最小值为0.2470×108m3，变差达3.4倍；最大年洪峰流量为210 m3/s，最小年洪峰流量为5.22 m3/s，变差达40.2 倍；年输沙量最大年为12.4×104t，最小年为0.232×104t，变差达53.4 倍。故乡河流域悬移质输沙量年内分配，见表4和表5。

表4 多年各月份平均悬移质输沙量

表5 流域各季节悬移质输沙量

经分析，研究区域悬移质输沙量的年际变化很大，从表6看出故乡河流域有实测样本系列26 年，年输沙量大于多年均值的有8 年，少于多年均值的有14 年，属特丰年份及特少年份分别为6 年和12 年，占总数的69.3%，正常输沙年份（-10%≤距平≤10%）的悬移质输沙量仅占多年均值的15.4%，46.2%的年份河道中输沙量属特低输沙年份。

表6 故乡河年悬移质输沙量

悬移质输沙量必然受一些水文要素的影响，如：地质特征、径流大小、洪水情况等，而相关水文要素在我国西部干旱区表现出较高的相似性（主要指具有冰川消融补给的河流），即某年最大洪峰次罕见的洪水所携带的泥沙可能是多年均值的数倍，例如1998 年和2007 年的悬移质泥沙总量达23.9×104t，分别为流域多年平均悬移质输沙量的3.5 倍和3.8倍。而在无冰川消融水补给的流域里，如哈密地区头道沟流域，其悬移质输沙量正常年份变化不大，其中1986 年～2006 年连续21年的平均值仅2.12×104t，最多的1993年悬移质输沙量5.90×104t，为多年平均值的2.8倍。由此也可以看出，有无冰川融水补给对河流悬移质含量也存在较大影响。

为了分析影响悬移质输沙量的主要因素，分别与相关影响因素进行综合分析，白吉水文站悬移质输沙量到底与哪个水文要素的关系最为密切，或为主要因素，本次悬移质输沙量的分析分别与流域同期径流量、降水量、洪峰流量进行相关分析见图2、图3、图4，发现白吉水文站水文站年悬移质输沙量与当年径流量、降水量的关系不大，但与流域同期洪峰流量相关计算中多项式相关的相关系数为0.95，相关方程R=0.7739x2+1.6533x+21.224，表明白吉水文站悬移质输沙量与年最大洪峰流量关系极为密切，可以说影响流域悬移质输沙量的关键因素是洪峰流量。

图2 年输沙量与年径流相关分析图

图3 年输沙量与年降水量相关分析图

图4 年输沙量与年洪峰流量相关分析图

相关研究也表明，径流的季节变化是径流输沙量变化最重要的影响因素，冰雪消融能量、积雪分布以及泥沙补给等都是影响径流输沙的次要因素。同时，较大的水动力条件以及雪冰中较高浓度的不溶物质的补给，也导致径流中泥沙的浓度增大，因此冰川消融强烈且融水对河流补给较大时，河流中的悬移质物质含量较高。

5 结语

故乡河流域的悬移质输沙特征，反映了我国西部干旱区有冰川消融水补给的中小河流的悬移质输沙基本运行规律和特点。其悬移质输沙量远低于没有冰川消融水补给的流域，我们在进行悬移质输沙率计算时采用常规的水文统计方法即可。