头道沟流域水文水资源

张洪燕

(新疆哈密水文水资源勘测局，新疆哈密839000)

1 概况

头道沟流域位于天山山脉最东端喀尔里克山的南坡，新疆哈密盆地以北，西与南山口流域为邻，东与故乡河流域相接。全流域在新疆哈密市境内。全流域唯一水文站，即头道沟水文控制站。水文站以上控制面积308 km2，河长41.5 km，流域最高峰3 057 m，流域平均高程2 445 m，平均坡降35.5‰，该水文站也是哈密地区唯一一个没有永久冰川消融水补给的水文观测站。

头道沟是新疆哈密地区众多没有冰川消融水补给河流中年径流量最大的河流，研究、分析该流域的水文特性对其它流域具有普遍的意义。头道沟水文站始建于1955年6月，一直连续观测至今，多年平均径流量2616×104m3(还原后水量)，最大年年径流量5170×104m3(1993年)，最少年年径流量1276×104m3(1978年)，变差4.1倍，水文站控制断面以下4 km是哈密地区最大的水库—石城子水库。头道沟流域的水文特性见表1。

表1 头道沟流域水文特性表

头道沟流域内的山体主要由华力西期花岗岩和石灰岩组成，土壤主要由高山、亚高山草甸土、山地栗钙土和石灰岩风化土组成［1］。流域的中高山区，峻岭纵横，岩石裸露，多悬崖峭壁，少植物;中低山区在比较阴湿的地方生长着疏密不等的西伯利亚落叶松和天山云杉，沿河滩有少量天然胡杨树，还有耐寒耐旱的冰草、芨芨草、骆驼刺等。总体讲，区域内大多为光秃山地。因受寒冷和大风的影响，山体受剥蚀作用和风蚀作用十分明显。

2 气候

2.1 四季特性

头道沟流域内气候的四季不是很明显［2］，春季多大风，特别是多寒潮降温型大风，风向以东北风为主。在狭管效应的影响下，水库坝址处风更多，风力更大，坝址附近风蚀地形随处可见，每年刮大风(≥17.2 m/s)多在40 d以上，空气干燥，蒸发量大，易发生倒春寒;夏天天气多晴朗，日照长，太阳辐射强，昼夜温差大，降水相对较多，蒸发也大;秋天的气候凉爽，日照充足;冬天，全流域在蒙古高压的控制下，空气干燥寒冷，寒冷天气历时长，降水量少，当年11月—次年3月区域内的土壤基本全部冻结;时间上讲区域内春、秋季历时较短，冬天历时最长。

受流域地形高差的影响，造成高、中、低地带气温的巨大差异，气温随地形升高而递减，即使在炎热的夏天，高山带白雪皑皑，中山带凉气袭人，低山区气候炎热。7月最热，1月最冷。头道沟水文站7月的月平均气温21.3℃，极端最高气温35.6℃;1月月平均气温 －14.4℃，极端最低气温 －32.0℃，年平均气温4.7℃。

2.2 降水和蒸发

据头道沟流域出山口头道沟水文站气象观测资料统计分析，其降水量主要集中在夏季的6—8月份，占年降水量的75.2%。每年的10月—次年的3月降水多以降雪的形式出现，随着时间的延续，这些固体降水中的绝大部分被蒸发或消融下渗，降水量由西北向东南递减，由高山区向盆地减少。高山区最大年降水量可达300～400 mm。

流域内的蒸发量特性与降水量特性相反，蒸发量随高程升高而降低。头道沟水文站多年平均降水量110.5 mm，最多年降水量206.1 mm(2007年)，最小年降水量53.2 mm(1974年)，变差3.9倍;多年平均蒸发量1465.8 mm(E601观测值)，最多年蒸发量2177.5 mm(1982年)，最小年蒸发量1122.4 mm(2003年)，变差1.9倍。头道沟水文站多年平均降水量和蒸发量年内分配见表2。

表2 头道沟水文站多年平均降水量、蒸发量年内分配表

3 径流

3.1 年径流量

头道沟流域的径流量主要靠山区裂隙水和直接降雨［3］，流域的丰枯取决于区域内的温度和降水。因山体低矮高山区没有永久冰川，故中、高山区在冬、春季节有一定积雪，但这些积雪在每年的4—5月份基本全部消融，因而每年都发生大小不等的春洪，造成每年该时期的径流量占年径流量的47.8%，该流域夏天(6—8月份)降水量占年降水量的75.2%，但这些降水量绝大部分被蒸发、下渗，只有发生高强度暴雨时，来不及下渗的降水径流形成暴雨洪水，故夏天发生夏洪的机率相对较少，夏天洪峰流量的大小取决于流域内降水量的强度，由于该流域坡降大、植被差，所以一旦发生大范围、高强度暴雨，极易产生峰高量少、含沙量大的洪水;每年9—次年3月份的径流量相对稳定。根据1956—2007年连续实测52 a的样本系列频率分析(见表3)可知，头道沟流域多年平均年径流量2348×104m3，由于上游开发草场和耕地经计算消耗268×104m3，故经还原后该流域原始平均年径流量2620×104m3，变差系数Cv为0.40，偏差系数Cs为1.20 (3Cv)=0.40，最大年径流量5170×104m3(1993年)，最小年径流量1276×104m3(1978年)，变差4.1倍。

3.2 年内分配

头道沟流域的年径流量在年内变化很大，全年的径流量主要集中在汛期的4—6月份，占年径流量的57.9%，其中5月份的径流量占年径流量的30.4%，夏天径流调节是本流域的主要特性，头道沟流域年径流量年内分配见表4。

表3 头道沟流域设计年径流量频率分析计算成果表

表4 头道沟流域年径流量年内分配表

4 洪水

头道沟流域的洪水从时间上分为春洪和夏洪［3］。从类型上分为:暴雨型洪水、融雪型洪水2种。

4.1 暴雨型洪水

暴雨型洪水通常发生在每年的6月下旬—8月中旬，这类洪水往往峰高量小，持续时间短，水中泥沙含量大。例如2007年7月17日，西西伯利亚、巴尔喀什湖的冷气流在流域内与来自青藏高原的暖气流相遇，造成局地高强度冷锋雨，造成头道沟流域河道内洪水猛涨，大水约半小时，但最大洪峰流量达134 m3/s，为涨水前一天最大流量的16.9倍，是始涨点流量的73倍;洪水中沙峰的悬移质泥沙含量为95.9 kg/m3，为涨水前一天最大含沙量的599倍，是始涨时含沙量的738倍，头道沟水文站典型暴雨洪水过程见图1。

4.2 融雪型洪水

冰雪型洪水则发生于每年的4—5月，洪量取决于山区的气温和降水，洪水具有明显的日周期变化规律，而且一天比一天高，洪水一般分2～3个过程，每个过程维持一周左右，整个春洪约历时1个月，但首场洪水的含沙量较大，头道沟水文站典型融雪型洪水过程见图2。

4.3 设计洪水

头道沟流域设计洪水采用流域出山口控制断面头道沟水文站的实测52 d洪水资料样本系列，选用该站年最大洪峰流量、年最大1 d、年最大3 d洪量组成系列，进行频率计算，采用P－Ⅲ型曲线适线，统计参数:均值31.1 m3/s，Cv0.96，Cs4.5Cv，计算出头道沟流域百年一遇洪水157 m3/s，50 a一遇洪水123 m3/s，计算成果见表3。

图1 头道沟站2007年7月暴雨洪水过程线

图2 头道沟1988年4月融雪洪水过程线

表5 头道沟流域设计洪水计算成果表

5 泥沙

头道沟流域地处欧亚大陆腹地，远离海洋，气候干燥，风力强劲，日照时间长，太阳辐射总量大，气温日差较大，从而为流域地表岩石及矿化物的热力风化提供了条件，另外不同的暴雨及融雪洪水，为可融性岩石的风化提供了有利条件，也为河流泥沙的形成提供了动力条件。当遇暴雨或积雪消融水时，便携带泥沙顺着河流而下，成为河道泥沙的主要来源。

头道沟流域的年最大含沙量与当年最大洪峰流量基本上同时出现，由于头道沟流域属山溪性河流，河道坡陡流急，当来大洪水时，河流冲蚀挟沙能力很强和特定的洪水成因，使河水相应含沙量也较大。山区不仅是河川径流量的形成区，同时也是河流泥沙的产沙区。因此，头道沟水文站所测得的径流和泥沙资料不仅控制了河流年径流量的最大值，同时也控制了河流泥沙总量的最大值。流域发生的暴雨洪水，极易携带泥沙进入河道，致使洪水期河流含沙量特别大。头道沟水文站多年平均年、月输沙量统计表6可以看出，头道沟水文站的多年平均悬移质输沙量为2.15×104t(根据1986～ 2006年实测)，其中秋、冬季输沙量较小，特别是冬季径流为地下水补给时，输沙量为零;春、夏季输沙量较高，尤以春季洪水时最高，头道沟水文站连续最大4个月输沙量占年输沙量的92.6%，说明输沙量的年内变化比径流量的年内变化大得多，输沙量的年内集中程度也远大于径流量的集中程度。河流泥沙的年际变化也大于径流量的年际变化，头道沟水文站年径流量的变差系数为0.40，年输沙量的变差系数为0.95，最大年输沙量为7.47×104t(1998年)，最小年输沙量为0.21×104t(1991年)，变差35.6倍。头道沟流域悬移质输沙量年内分配见表7。

表6 头道沟流域多年平均悬移质输沙量年内分配表

表7 头道沟流域悬移质输沙量年内分配表

头道沟流域的泥沙除悬移质泥沙外［4］，还有推移质泥沙。根据下列公式推算出头道沟［5］多年推移质输沙量约为0.52×104t。

式中:Wb为多年平均推移质输沙量，104t;Q为多年平均流量，m3/s;J为河床比降;Ms为多年平均悬移质输沙量，104t。

6 水质

头道沟流域的水质总体上属于天然一级无污染的水［5］，其天然水质分布状况和离子径流量见表5。区域内没有影响水质的工厂和矿山，故没有工业污染，有利于水资源的保护、开发和利用。

头道沟流域的水化学成分具有以下特点:①矿化度的大小与河水补给源及区域内下垫面土壤和山体构造有关。其中降雨补给的水中矿化度低，融雪水补给的水中矿化度略高，某些山体土壤可融性盐多，水中矿化度较高。②矿化度具有明显的季节变化规律，汛前水流中矿化度最大，汛后次之，汛期最小。③历年水质变化相对稳定，矿化度、总硬度等各项指数变化不大。④有机物含量洪水期最大，枯水期最小，特别是高锰酸盐指数和氨氮的含量，其变化比较明显。⑤河水中无机毒物含量低，一年中很少检出。⑥离子径流量反映了河道中各项离子含量在某个时段内的总量。头道沟流域天然水质分布状况和离子径流量见表8。

表8 头道沟流域天然水质分布状况和离子径流量表

通过上述分析，反映出哈密头道沟流域是个水资源量极度匮乏、降水少、蒸发大，洪、涝反复多现，水资源年内分配极不均匀，以旱为主的地方，做好防洪抗旱工作对哈密地区经济的可持续发展，建设和谐哈密的意义重大。

［1］新疆哈密市地方志编纂委员会.哈密县志［M］.乌鲁木齐:新疆人民出版社，2005.

［2］骆光晓，等.石城子流域水文特性［J］，水文，2007(5):55－58.

［3］周聿超.新疆河流水文水资源［M］.乌鲁木齐:新疆科技卫生出版社，1999.

［4］骆光晓，等.榆树沟流域水文特性［J］，新疆气象，2002(5):21－22、37.

［5］骆光晓，等.哈密地区水资源质量现状［J］.水资源研究，2007 (4):20－22.

［6］骆光晓，等.新疆哈密地区地表水资源量趋势分析［J］，水文，2007(5):92－95.