塔里木河中下游生态监测水文设备分析研究

谢 葆

(巴音郭楞水文勘测局,新疆 库尔勒 841000)

1 河流水系

塔里木河流域位于塔里木盆地北缘,介于E80°50′～88°52′,N39°26′～41°44′之间流域有九大系统组成。塔里木河干流沿塔里木盆地北部边缘由西向东蜿蜒行进在塔克拉玛干沙漠东部,最后注入台特玛湖。

塔里木河为中国第一大内陆河,它由叶尔羌河、和田河、阿克苏河等汇合而成,河水很不稳定,被称为“无缰的野马”。 塔里木河流域位于新疆南部,在天山山脉和昆仑山脉之间,东西长1100 km,南北宽600 km,是世界上最大的内陆河流域,从最长的源流—叶尔羌河流域算起,到塔里木河尾闾—台特玛湖,长2400 km,我国最大世界第二大的流动沙漠塔克拉玛干沙漠位于其中部。盆地总面积105万km2,其中,沙漠面积37.04万km2。

塔里木河干流全长为1321km,自身不产流,属于平原性河流。现属季节性河流,冬春季经常断流。从肖夹克到英巴扎为塔里木河上游段,河道长为495km,纵坡在1/4600～1/6300间,河床下切深度2～4m,河道比较顺直,少有汊流,水面宽一般在500～1000m,河漫滩发育,阶地不明显。英巴扎至恰拉为中游段,河道长度398km,河道纵坡在1/5700～1/7700间,水面宽度一般在200～500m,河道弯曲,水流缓慢,土质松散,泥沙沉积严重,河床不断抬升,加之人为扒口,致使中游河段形成众多汊口;恰拉至台特玛湖为下游段,河长428km,河道纵坡较中游段大,在1/4500～1/7900,河床下切一般为3～5m,河床宽100m左右,比较稳定。

塔里木河中、下游设有英巴扎断面、乌斯满断面、恰拉龙口断面、大西海子断面、大西海子放水闸断面等5个监测断面,其中前4个断面由水文系统监测,后一个由塔河管理站监管。

2 气候特征

塔里木河流远离海洋,气候干燥,具有中温带大陆性干旱气候特征,属于典型的大陆性气候,冬冷夏热,日温差较大,光照充足,热量丰富,雨量稀少,蒸发量大。水汽来源主要来自湿润的北风气流,其次为西北部的北冰洋气流,降水年际变化不大,年内降水主要集中在5～9月。

各断面水文气候特征,英巴扎断面多年测得最高气温为44.5℃,出现在2002年8月4日;测得最低气温-28.1℃,出现在2008年1月31日;多年平均气温为11.1℃;多年平均降水量61.4mm;多年平均蒸发量2079.5mm。乌斯满断面没有气象观测项目。恰拉龙口断面多年测得最高气温为47.0℃,出现在2015年7月27日;测得最低气温-27.4℃,出现在2011年1月29日;多年平均气温为11.3℃;多年平均降水量31.4mm;多年平均蒸发量2154.5mm。大西海子断面没有气象观测项目。

3 测站特性

英巴扎水文站位于新疆轮台县轮南镇英巴扎村,监测塔里木河中游水量的控制站,是水流沙及降蒸、水气温的国家基本水文站。河床质由细沙组成,两岸有稀疏植被,河床较不稳定。测验河段复杂,高水时河宽600m有余。现左右岸有浆砌石防洪堤,但高水时,洪水绕过防洪堤,造成左右漫滩。基本断面上游100m河流向左弯曲。基本水尺断面设在公路桥下游,此处测验断面略有收缩,中低水断面控制较好;高水时,漫滩较大。由于河床冲淤变化大,测验断面附近,左岸河底冲蚀,右岸淤积缓慢抬高。水位流量关系主要受塔里木河干流洪水涨落影响;关系较为复杂,高洪期一般出现在8～9月份。

该站历年最高水位931.67m,出现于2022年9月2日;历年最大流量为954m3/s,出现于2022年9月2日;多年平均流量为87.1m3/s;最大含沙量为12.2kg/m3,出现在2015年7月6日;最大年径流量61.86×108m3,出现时间2017年;最小年径流量1.825×108m3,出现时间2009年;多年平均径流量27.51×108m3。

乌斯满水文站位于新疆尉犁县卡尔曲尕乡,是监测塔里木河中游水流及泥沙的国家基本水文站。测验河段顺直约为500m,上游210m处建有乌斯满枢纽闸门。高水河宽约为105m,断面形状呈U形,河床质由细砂组成,左右岸为铅丝笼块石防洪堤。高水无逆流、回水、死水等现象,低水期有岔流、串沟现象。两岸植被稀少,有少许红柳灌木丛。高水期断面控制较好,低水期断面控制情况较差。断面主流受上游枢纽闸门启闭影响摆动频繁,属经常性冲淤变化河道[1]。

基本水尺断面设有搪瓷直立式水尺于河左岸,实施人工观测。自记水位计有超声波水位计及雷达水位计,设在基本水尺断面,自记水位计记录水位过程,每日人工校核二次。

乌斯满塔里木河断面,历年最高水位905.52m,出现于2016年9月19日,对应流量为292m3/s,是实测历年最大流量;多年平均流量为43.6m3/s;最大年径流量25.87×108m3,出现时间2017年;最小年径流量0.3226×108m3,出现时间2009年;多年平均径流量13.75×108m3。

下游恰拉水文站位于新疆尉犁县境内,E87°23′,N40°37′。为塔里木河综合治理提供基本水文资料,掌握监测断面处塔里木河干流来水情况(水位、流量、泥沙及水质)和孔雀河由库塔干渠注入塔里木河退水渠的水位、水量、泥沙及水质情况。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态观测站。该站有4个基本断面,其中,塔里木河断面以上为塔里木河中游河段,断面以下为塔里木河下游河段;库塔干渠断面是开都河～孔雀河流域水量流入塔里木河的最末控制站;恰拉水库断面及恰拉干渠断面均为塔里木灌区水量控制站。

基本水尺断面设有搪瓷直立式水尺于河左岸,汛期采用自记水位计。其余时间实施人工观测。自记水位计雷达水位计及超声波水位计,都设在基本水尺断面,自记水位计记录水位过程,每日人工校核二次。

塔里木河断面历年最高水位872.90m,出现在2017年9月22日;流量为188m3/s,是历年最大流量,出现在2016年9月22日;多年平均流量为20.7m3/s;最大年径流量16.56×108m3,出现时间2017年;最小年径流量0.1853×108m3,出现时间2008年;多年平均径流量6.461×108m3。

大西海子水文站位于巴州尉犁县境内农二师恰拉水管处大西海子水库管理站旁边。测站庭院距218国道5km,距农二师34团团部20km。测验断面设在大西海子水库泄水闸下游250m的河道上,距测站庭院3km。该站是向塔里木河下游绿色走廊输水的重要水量控制站,对大西海子水库下泄到塔里木河下游的水资源量起着至关重要的控制作用。

断面上游250m为大西海子水库大坝泄洪闸门,下游无水工设施。测验河段顺直,河床由泥沙组成。河槽近似于梯形,高、中、低水无岔流窜沟等,断面较为稳定。

观测项目主要有水位、流量、普通测量、水质等。该站历年最高水位846.94m,出现在2010年11月4日,历年最大流量为71.8m3/s,出现在2011年8月10日;多年平均流量为6.82m3/s;最大年径流量6.215×108m3,出现时间2017年;多年平均径流量2.146×108m3。

该站距勘测局所在地库尔勒市200km ,交通较为不便,水、电、设备不全。

现有一套水文系统监测,资料连贯,资料质量有保障。

该断面正南方约3800m处另有一断面为大西海子放水闸断面,由塔河管理站监管,年径流量约为3.8×108m3。

4 先进水文测验设备

近年来,涌现出一批先进水文测验仪器设施设备,其中自记水位计有雷达水位计、超声波水位计、压力式水位计,测流设备有多普勒剖面测速仪(ADCP)、 RJ-30测速仪、侧扫雷达。

适合塔里木河断面的水位设备有雷达水位计、超声波水位计,根据现有条件已在各断面安装相关设备。塔里木河水中含沙量较高,无法使用多普勒剖面测速仪(ADCP),塔里木河夏季洪水期,流沙较大,含沙量较大,实验证明塔里木河上,中游河段不适宜使用多普勒剖面测速仪(ADCP)。 而RJ-30测速仪、侧扫雷达都是测量水面流速的设备,塔里木河属宽浅式河流,小水时水流经常分叉不集中,不适合采用RJ-30测速仪及侧扫雷达;中高水时,水流集中,但河道较宽,测流时间较长,现有条件是测站人员较少,河流来水时间较短,测站短时间里无法组织人员进行仪器比测实验分析研究,故当前,RJ-30测速仪及侧扫雷达还在处于试运行阶段。请有关部门,引起高度重视此项工作,确实发挥先进仪器设备在我区的广泛运用,提高工作效率的作用,能否组织一批专业人员,根据塔里木河河流特性,实验研究出一批能在本地发挥充分作用的先进测流设备。

5 水文监测的做法和经验

水文监测工作,每日定时看水位,遵循河流水量变化情况,设定每月测流次数,并且在河流水量变化大的情况下,随时加测流量,必须掌握每一次来水变化的全过程,寻找测流断面水位与流量的关系,在保障精度的情况下简化测验手段。尽最大可能掌握测流河道的水文变化规律,为水利工程、环境保护提供精度高的一手水文资料,为经济建设服务。

在作水文分析计算中,首先,要对所运用的资料进行审查,一般进行资料的可靠性、一致性和代表性审查。水文资料采集、收集时,都非常注意了资料可靠性、一致性。所以,资料在这些方面保证性是很高的。资料的代表性是指样本资料的统计特性能否很好的反映总体的统计特性。代表性好,在实际水文分析计算中误差就小; 反之,实际误差就不好确定。

随着我国社会经济的不断发展,环境问题越加突出。由于一味追求经济效益而导致自然环境严重受损的现象逐渐频繁起来,自然灾害中与水相关的问题对人们的生命安全与财产安全带来很大影响,因此减少并防治水文灾害的发生刻不容缓。水文监测工作是我国地理基础工作中十分重要的环节,为我国塔里木胡杨林生态林提供有效地参考资料,在环境生态保护工作中发挥着至关重要的作用。水文监测有利于推动社会公众服务,促进政府实行决策职能,是工程建设管理、水资源管理和水利规划设计的坚实基础。我国水文信息、水文观测项目、水文监测手段在发展的过程中取得了很大进步,随着当今社会科技水平的不断提高,对这三方面的要求也在不断拔高。为了推进我国水文监测工作的有效进行,相关部门在该方面进行了相关研究与分析。

6 存在的问题

测验断面不规范。英巴扎水文测验断面为自然河道砂土质河床,河床较不稳定,断面设在英巴扎大桥下游,水流受桥墩阻水影响较大,特别是洪水期间,断面处水流受到桥墩作用,形成一定范围的漩涡、回流,导致部分区域河床掏挖严重,水深、流速失真,故而水位、流量、泥沙测验精度受到影响。

乌斯满水文测验断面为自然河道砂土质河床,河床较不稳定,还有断面主流受上游枢纽闸门启闭影响摆动频繁,属经常性冲淤变化河道。目前我们采用固定垂线流速仪法测流,水流中弘频繁摆动对流量、泥沙测验精度影响较大。

恰拉龙口水文测验断面为自然河道砂土质河床,河床较不稳定,再有断面主流受上游枢纽闸门启闭影响摆动频繁,属经常性冲淤变化河道。目前我们采用缆道垂线流速仪法测流,且起点距标记不够精准,水流中弘频繁摆动对流量测验精度影响较大。

大西海子水文测验断面为自然河道砂土质河床,河床较不稳定,受上游闸口来水,河床极易变化,容易造成深沟积水,给测流工作带来不便,也在一定程度上影响资料精度。交通不便。站房到河道测验断面约3.7km观测道路为泥土路平时路面高低不平,车辆较难行走,特别是遇上下雨天,道路泥泞积水,道路无法通行。断面没有交流电源,不便于使用现代化测验仪器,也不便于水文数据传输。

7 结 语

1) 整治断面,规范断面,英巴扎水文测验断面应下迁200m,根据现有条件,选用流速仪法测流由机动车牵引较为适宜。

乌斯满水文测验断面,没有更好的可以取代现有的测验设备,保持现有仪器设备。在合适的时间可硬化测验断面河底,长度应为100m,进一步提高测验精度。

恰拉龙口水文测验断面,应架设吊箱缆道,提高流量测验精度。在合适的时间可硬化测验断面河底,长度应为100m,进一步提高测验精度。

缩窄大西海子水文站测验断面至30～40m,架设一座桁架桥(参照生态放水断面测桥)作为测桥,固化断面两岸,硬化河底。

2)升级现有测流设备,为现代化水文服务,提供技术及人才储备条件,可在各断面建测桥(吊箱缆道),并安装2～3个雷达水位计探头及RJ-30测速仪,布设3～4个测速仪探头,用来观测水位,测算水面流速,推求过水断面流量。

3)根据大西海子水文站,每年3.5×108m3/s的径流量,塔里木河河水中的泥沙经过大西海子沉淀,含沙量有明显的减小,可配备一台多普勒剖面测速仪(ADCP)进行流量测验。整治大西海子水文站房到河道测验断面约3.7km观测道路。加大人员巡测密度。

4)各断面,应实现SIM和卫星通信两套设备。