(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

河道演變主要影響因素包括來(lái)水、來(lái)沙及河床周界條件。具體而言，主要包括來(lái)水量及其變化過(guò)程，來(lái)沙量、來(lái)沙組成及其變化過(guò)程，出口侵蝕基點(diǎn)，河床組成，地理地質(zhì)條件等。對(duì)于沖積河道來(lái)說(shuō)，來(lái)水來(lái)沙條件是最主要的，一方面因?yàn)閬?lái)水來(lái)沙集中反映了河流作為水沙輸移通道而存在的必然前提；另一方面，后兩個(gè)條件往往受其影響，甚至是其派生因素。而且，進(jìn)口水沙條件時(shí)刻處于發(fā)展變化過(guò)程中，影響著河流的沖淤特性，這對(duì)于理解河道演變的基本理論并進(jìn)行合理預(yù)測(cè)起著至關(guān)重要的作用。

最早基于河道演變的水沙因子研究當(dāng)屬河相關(guān)系的提出，河相關(guān)系表示為沖積河流通過(guò)自動(dòng)調(diào)整作用處于平衡狀態(tài)時(shí),其斷面形態(tài)、縱剖面形態(tài)與流域因素之間存在某種定量的關(guān)系[1]。最早提出的河相關(guān)系僅限于河道周界因子之間的相互關(guān)系，如Schumm S R[2]以沖積河流資料為基礎(chǔ)，建立了河道寬深比B/H與河道沉積物中粉砂-黏合含量指標(biāo)之間關(guān)系：

Bi/H=ξ

(1)

式中，i和ξ均為待定參數(shù), 隨河床邊界組成不同而異。通過(guò)對(duì)河相關(guān)系做進(jìn)一步研究，有學(xué)者認(rèn)為沖積性河流的河相關(guān)系應(yīng)是水流含沙量的函數(shù)，對(duì)于高含沙洪水河段河相關(guān)系可表示為[3]

(2)

式中,Sv為水流含沙量。隨著對(duì)河相關(guān)系認(rèn)識(shí)的不斷深入，更多的流域因子被引入，從而衍生出了一系列河相關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，如竇國(guó)仁[4]基于假說(shuō)理論建立的河相關(guān)系：

(3)

式中,A為平均流量下的斷面面積；Q，S分別為某河段的平均流量和平均含沙量；vos,vob分別為床底泥沙顆粒止動(dòng)流速和懸沙止動(dòng)流速；β為涌潮系數(shù)；α為河床與河底的相對(duì)穩(wěn)定系數(shù)；比例系數(shù)b一般取值0.5；對(duì)于大多數(shù)平原河流參數(shù)k=3～5。但是目前對(duì)于河相關(guān)系的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)不能穩(wěn)定描述出河道演變的特征及規(guī)律。此后，有學(xué)者提出除了流量和含沙量以外，水沙組合可以作為新的流域因子來(lái)研究河道沖淤變化規(guī)律。因此，本文針對(duì)基于河道演變現(xiàn)象的水沙因子指標(biāo)的選取及其對(duì)河床沖淤的影響進(jìn)行了總結(jié)分析，并提出有待完善及進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

2 流量表征因子

徑流量、輸沙量的大小及過(guò)程均對(duì)河道演變產(chǎn)生明顯影響，由于泥沙的輸運(yùn)是以水流的運(yùn)動(dòng)為前提的，因此不少學(xué)者認(rèn)為相對(duì)于含沙量，流量特性在河床演變影響因素中占據(jù)著更大的權(quán)重。由于不同水文年內(nèi)流量過(guò)程線形態(tài)各異，對(duì)流量過(guò)程的量化存在一定困難，提出了一些特征流量用來(lái)大致描述流量與河道演變之間的關(guān)系。

2.1 造床流量

造床流量是與多年實(shí)際流量過(guò)程塑造河床效果相當(dāng)?shù)哪骋惶卣髁髁?，決定了河流的平均狀態(tài)[5]，在河道演變分析、河道規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面得到了充分的應(yīng)用[6]。現(xiàn)階段造床流量的計(jì)算方法主要有Makovieve法、最大輸沙率法、平灘流量法以及頻率分析法。

河床的變化是一個(gè)完整流量過(guò)程引起的綜合變化[7]，造床作用強(qiáng)弱以及每級(jí)造床作用持續(xù)的時(shí)間是造床流量計(jì)算中兩個(gè)重要的因子，因而Makovieve法[8]造床流量可表達(dá)為

G=QmPJ

(4)

式中,Q為上游來(lái)流量；m為變指數(shù)，通過(guò)對(duì)河段來(lái)流量與河段輸沙率的關(guān)系進(jìn)行擬合確定；P為該級(jí)流量對(duì)應(yīng)的頻率密度，P=ΔP/ΔQ，ΔQ為流量分級(jí)，ΔP為ΔQ對(duì)應(yīng)的頻率；J為水面比降。最大輸沙率法求造床流量即繪制各級(jí)流量的頻率和輸沙率乘積的地貌功曲線[9](Q-QnP)，取與曲線峰值相應(yīng)的流量作為造床流量。平灘流量法即是采用平灘水位相應(yīng)的流量作為造床流量[10]；以長(zhǎng)江中游順直河段為研究對(duì)象，造床流量大致相當(dāng)于4 a一遇的洪水流量[11]。

造床流量作為衡量多年造床作用的一個(gè)平均流量，在水力特性、河床沖淤研究方面有著重要的參考作用。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為復(fù)式河道的漫灘流量即為造床流量，在此流量下斷面流速、紊動(dòng)特性、阻力分布以及泥沙輸移都有顯著變化[12-14]。但在具體應(yīng)用方面，同一個(gè)河段采取不同的方法可能得出不同大小的造床流量[15]。同時(shí)，對(duì)于同一河段、同一方法，不同的操作人也有可能得出不同的結(jié)論。以目前使用較多的最大輸沙率法和平灘流量法為例，最大輸沙率法中指數(shù)n對(duì)于水流造床作用曲線分布有一定影響，但現(xiàn)階段對(duì)于不同河段，指數(shù)n的取值尚不明確；平灘流量法中水位的確定具有一定的主觀性，且沖積平原河段流量與水位是多值對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于同一平灘水位，其流量變化范圍較大，可能導(dǎo)致一定程度的誤差。

2.2 沖淤臨界流量

從河床沖淤年內(nèi)分布特點(diǎn)上看，長(zhǎng)江中游較寬河道的主流區(qū)流速大、灘槽沖刷，緩流區(qū)流速小，河床淤積；黃河下游“洪水期灘淤槽沖、枯水期槽淤灘沖”以及彎曲段凸岸邊灘“洪沖枯淤”，凹岸深槽“洪淤枯沖”的年內(nèi)沖淤分布特點(diǎn)都顯示著存在一個(gè)沖淤臨界流量，當(dāng)來(lái)流量大于這個(gè)流量時(shí)，河道發(fā)生沖刷，反之則淤積[16]。

隨著研究的深入，關(guān)于流量對(duì)河道沖淤的影響逐漸從定性分析發(fā)展到定量研究。通過(guò)對(duì)黃河及長(zhǎng)江的洪水資料及河道沖淤分析得出黃河下游沖、淤分界流量大致在18 000 m3/s左右[17-18]，長(zhǎng)江中游臨界流量為29 000～35 000 m3/s[19]。進(jìn)一步以黃河下游河道為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)沖淤臨界流量隨著含沙量的增大而增大[20]，而后有相關(guān)學(xué)者利用非飽和輸沙公式,提出了以懸移質(zhì)為主的沖積河流沖淤臨界流量與水沙以及邊界條件的一般關(guān)系式[21]：

(5)

式中,Qc為沖淤臨界流量；f,k為河段的輸沙特性參數(shù)。從沖淤臨界流量公式中可以得出結(jié)論：沖淤臨界流量隨著含沙量的降低而減小，反之則有所增加。在沖淤臨界流量中引入含沙量因子，是一個(gè)明顯的進(jìn)步，綜合反映了河床的沖淤性質(zhì)是水與沙的綜合作用。

2.3 流量過(guò)程因子

天然河流中流量呈現(xiàn)較強(qiáng)的非恒定性。流量過(guò)程對(duì)河床的塑造作用明顯，天然河道的實(shí)測(cè)資料分析及水槽試驗(yàn)均證實(shí)不同的流量變幅可能產(chǎn)生不同的河型。許多概化試驗(yàn)表明，當(dāng)總水量一定時(shí)，各個(gè)時(shí)段流量變幅越大，斷面形態(tài)越寬淺，容易形成游蕩型河流；反之，斷面形態(tài)窄深[22]。

對(duì)于沖積河流來(lái)說(shuō)，主流帶平面位置的擺動(dòng)是河床沖淤的一大重要因素，而主流帶通常隨著流量的大小變化而發(fā)生平面位置遷移[23-24]。某一流量級(jí)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，與該流量級(jí)下主流所在灘槽部位的沖淤幅度相對(duì)應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江中下游分汊河道沖淤規(guī)律與某些特征流量的持續(xù)天數(shù)存在明顯相關(guān)關(guān)系。以羅湖洲水道為例，統(tǒng)計(jì)得出羅湖洲水道凸岸人民洲邊灘面積與洪水流量、中水流量持續(xù)時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖1。圖1表明，洪水流量(48 000 m3/s)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，邊灘面積越大，中水流量(16 000～48 000 m3/s)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則反之。同時(shí)以螺山站為例，發(fā)現(xiàn)螺山站洪水流量(35 000 m3/s以上)持續(xù)天數(shù)增加時(shí)，同期嘉魚(yú)水道汪家洲邊灘大幅度淤長(zhǎng)[25]。

綜上所述，關(guān)于流量過(guò)程對(duì)河道演變影響的相關(guān)研究方法主要是概化試驗(yàn)及實(shí)測(cè)資料分析。試驗(yàn)中采用的概化流量過(guò)程跟天然流量存在一定差異，而實(shí)測(cè)資料分析得出的一些沖淤臨界流量，受河道局部地形、上下游河勢(shì)等影響，具有較強(qiáng)的地域性，且受實(shí)測(cè)地形資料的影響，代表性不夠充分。

圖1 人民洲邊灘面積與特征流量持續(xù)天數(shù)關(guān)系Fig.1 Relationship between characteristic flow duration and beaches area in Renminzhou Beach

3 含沙量表征因子

河道的沖淤性質(zhì)取決于來(lái)沙量與水流挾沙力的對(duì)比關(guān)系。水流挾沙力可定義為一定水力條件下水流的飽和含沙量, 即處于不沖不淤即輸沙平衡狀態(tài)下的含沙量，因此河流含沙量特性的變化將會(huì)引起河道淤積狀態(tài)的變化。歷年來(lái)，相關(guān)學(xué)者在我國(guó)不同流域上開(kāi)展了大量關(guān)于含沙量對(duì)河流沖淤性質(zhì)影響的研究，得到一系列科研成果。

對(duì)于黃河下游河道來(lái)說(shuō)，影響河床沖淤相對(duì)平衡下臨界含沙量的因素主要有河槽單寬流量、洪水漫灘程度、懸移質(zhì)泥沙級(jí)配和床沙質(zhì)最粗一組泥沙的沙重百分?jǐn)?shù)等[26]。根據(jù)實(shí)測(cè)水沙資料[27]，分析得到黃河下游河道沖淤的臨界含沙量為21 kg/m3，而后發(fā)現(xiàn)流量越大，臨界含沙量越大[28]。進(jìn)一步研究認(rèn)為在同一流量級(jí)下，在非高含沙水流范圍內(nèi)，當(dāng)含沙量減小時(shí)，河道發(fā)生沖刷；隨著含沙量的增加，主槽發(fā)生淤積。當(dāng)含沙量再增加達(dá)到高含沙水流范疇時(shí)，沖淤情況相反[29]。

根據(jù)長(zhǎng)江中游河道大量水文資料分析可知，河床的沖淤一般發(fā)生在洪水期，含沙量大小決定著沖淤的速度，當(dāng)含沙量減少，沖刷會(huì)加快、淤積會(huì)減緩，當(dāng)含沙量增加則反之[30]。有學(xué)者根據(jù)三峽水庫(kù)修建以前的資料統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為年沖淤量與宜昌站年平均懸移質(zhì)含沙量呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，水庫(kù)攔截大量泥沙，中下游含沙量大幅度減少，沖刷分布特征也逐漸由蓄水前的“沖槽淤灘”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀┎劬鶝_”[31]，長(zhǎng)江中游分汊河段河道出現(xiàn)了支汊沖刷發(fā)展、中低灘沖刷變形的演變現(xiàn)象。

4 水沙組合表征因子

近年來(lái)，人類活動(dòng)和天氣變化影響了我國(guó)各流域干支流的徑流量和輸沙量，改變了各流域泥沙的時(shí)空分布，改變了原有的水沙組合關(guān)系，影響著河道的沖淤特性[31-32]。

由于自然條件和人為活動(dòng)雙重因素的影響，水沙強(qiáng)烈的不協(xié)調(diào)性成為黃河流域水沙系列的基本特征[33]，因此關(guān)于水沙組合的相關(guān)研究在黃河流域上較為豐富。以黃河下游為研究對(duì)象，有學(xué)者通過(guò)研究河槽形態(tài)與流量、含沙量對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是跟水沙組合整體的對(duì)應(yīng)，而不是某一個(gè)單獨(dú)因子[34-35]。為了表示水沙組合情況，在黃河上常用來(lái)沙系數(shù)作為指標(biāo)[36]，例如有學(xué)者根據(jù)黃河下游資料發(fā)現(xiàn)漫灘洪水來(lái)沙系數(shù)和主槽沖淤?gòu)?qiáng)度qsm與灘地沖淤?gòu)?qiáng)度qsf之間存在線性關(guān)系(見(jiàn)圖2)，并得出公式[37]：

qsm=12.14ρ-0.34

(6)

qsf=-10.71ρ+0.45

(7)

并用ρ的大小來(lái)反映河道的沖淤狀態(tài)。

圖2 灘槽沖淤?gòu)?qiáng)度與來(lái)沙系數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationship between incoming sediment coefficient and erosion/sedimentation intensity of foreshore and channels

目前對(duì)于水沙組合相關(guān)的研究，主要是基于長(zhǎng)系列水文要素得出的一個(gè)趨勢(shì)性指標(biāo)，沒(méi)能反映流量及含沙量的過(guò)程形態(tài)，無(wú)法準(zhǔn)確判斷某個(gè)具體水文年內(nèi)不同時(shí)期的水沙同步特征。

5 結(jié) 論

針對(duì)沖積性河流，總結(jié)了歷年來(lái)關(guān)于河道演變研究中水沙因子指標(biāo)的相關(guān)研究，主要結(jié)論如下。

(1) 含沙量、流量特性在河床演變影響因素中占據(jù)著很大的權(quán)重。目前提出了包括造床流量、沖淤臨界流量(含沙量)等在內(nèi)的一系列特征值，來(lái)描述含沙量及流量與河道演變特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但河道演變從本質(zhì)上是水流與泥沙的相互作用過(guò)程，因此單獨(dú)的徑流或者輸沙因子無(wú)法完全反映挾沙水流對(duì)河床的塑造作用，提出包括流量、輸沙大小及過(guò)程的綜合因子是深入研究水沙條件塑造河道過(guò)程及機(jī)理的關(guān)鍵。

(2) 對(duì)于水沙組合關(guān)系有不少研究，研究成果豐富，其中水沙組合指標(biāo)的提出加快了水沙條件對(duì)河道演變影響的定量研究進(jìn)度。目前以黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象取得一系列較為成熟的研究成果，但對(duì)其他流域有待進(jìn)一步的深入研究，尤其是三峽水庫(kù)運(yùn)行后水沙組合條件變化較大的長(zhǎng)江流域。在長(zhǎng)江流域上進(jìn)一步深化類似研究，對(duì)于新的水沙條件下長(zhǎng)江中下游河道演變趨勢(shì)的預(yù)測(cè)具有重要意義。