冲积河流河道演变的水沙因子指标研究进展

２０１９年１０月

人　民　长　江

Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ

Ｖｏｌ.５０ꎬＮｏ.１０Ｏｃｔ.ꎬ２０１９

　　文章编号:１００１－４１７９(２０１９)１０－００３２－０５

冲积河流河道演变的水沙因子指标研究进展

谢　炎ꎬ刘　亚ꎬ范北林

(长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室ꎬ湖北武汉４３００１０)

摘要:水沙条件对冲积河流河道演变起着至关重要的作用ꎬ典型水沙因子的选取及其对河床冲淤的影响是河流地貌及河流工程学科的重点ꎬ影响着河相关系的研究进展ꎮ历年来ꎬ不同领域的学者开展了大量相关研究ꎬ取得了丰硕成果ꎮ分别从流量、含沙量以及水沙组合３方面对水沙因子指标的研究现状进行了总结分析ꎮ结果表明:早期学者多以流量或者含沙量单一影响因子对河道冲淤变化规律进行讨论研究ꎬ后续研究发现单一影响因子与河床形态没能形成稳定的对应关系ꎬ进而指出河床冲淤受水沙组合关系的影响ꎮ近期一些水沙组合指标的提出ꎬ对滩槽冲淤的定量研究起到了重大作用ꎮ类似研究目前多集中在大江大河ꎬ较为成熟的研究成果多是以黄河流域为研究对象ꎬ在其它流域的应用及修正有待更深入的开展ꎮ关　键　词:河床演变ꎻ水沙因子ꎻ流量ꎻ含沙量ꎻ水沙组合ꎻ冲积河流中图法分类号:ＴＶ１４７　　　文献标志码:Ａ

ＤＯＩ:１０.１６２３２/ｊ.ｃｎｋｉ.１００１－４１７９.２０１９.１０.００６

１　研究背景

河道演变主要影响因素包括来水、来沙及河床周界条件ꎮ具体而言ꎬ主要包括来水量及其变化过程ꎬ来沙量、来沙组成及其变化过程ꎬ出口侵蚀基点ꎬ河床组成ꎬ地理地质条件等ꎮ对于冲积河道来说ꎬ来水来沙条件是最主要的ꎬ一方面因为来水来沙集中反映了河流作为水沙输移通道而存在的必然前提ꎻ另一方面ꎬ后两个条件往往受其影响ꎬ甚至是其派生因素ꎮ而且ꎬ进口水沙条件时刻处于发展变化过程中ꎬ影响着河流的冲淤特性ꎬ这对于理解河道演变的基本理论并进行合理预测起着至关重要的作用ꎮ

最早基于河道演变的水沙因子研究当属河相关系的提出ꎬ河相关系表示为冲积河流通过自动调整作用处于平衡状态时ꎬ其断面形态、纵剖面形态与流域因素之间存在某种定量的关系[１]ꎮ最早提出的河相关系仅限于河道周界因子之间的相互关系ꎬ如ＳｃｈｕｍｍＳ与河道沉积物中粉砂－黏合含量指标之间关系:

收稿日期:２０１８－１２－０５

Ｂｉ/Ｈ＝ξ(１)

式中ꎬｉ和ξ均为待定参数ꎬ随河床边界组成不同而异ꎮ通过对河相关系做进一步研究ꎬ有学者认为冲积性河流的河相关系应是水流含沙量的函数ꎬ对于高含沙洪水河段河相关系可表示为[３]

Ｂｎ２１

＝ζ０＋ｂ１Ｓｎｖ－ｂ２ＳｖＨ

(２)

式中ꎬＳｖ为水流含沙量ꎮ随着对河相关系认识的不断深入ꎬ更多的流域因子被引入ꎬ从而衍生出了一系列河相关系的半经验半理论公式ꎬ如窦国仁[４]基于假说理论建立的河相关系:

２１/９β２ｋ２Ｑ８

Ａ＝()(２２２２２)１/９

７ｂｇαｖｏｓｖｏｂＳ

(３)

式中ꎬＡ为平均流量下的断面面积ꎻＱꎬＳ分别为某河段的平均流量和平均含沙量ꎻｖｏｓꎬｖｏｂ分别为床底泥沙颗粒止动流速和悬沙止动流速ꎻβ为涌潮系数ꎻα为河床与河底的相对稳定系数ꎻ比例系数ｂ一般取值０.５ꎻ对于大多数平原河流参数ｋ＝３~５ꎮ但是目前对于河相关系的认识还远不能稳定描述出河道演变的特征及

Ｒ[２]以冲积河流资料为基础ꎬ建立了河道宽深比Ｂ/Ｈ

基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目“弯曲分汊河道演变时空差异特性研究”(５１６０９０１１)ꎻ三峡后续规划课题３

(ＣＫＳＧ２０１７８８９/ＨＬ)

作者简介:谢　炎ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事水力学及河流动力学研究ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｘｉｅｙａｎｓｔｕ＠１６３.ｃｏｍ

　第１０期　　　谢　炎ꎬ等:冲积河流河道演变的水沙因子指标研究进展

３３

规律ꎮ此后ꎬ有学者提出除了流量和含沙量以外ꎬ水沙组合可以作为新的流域因子来研究河道冲淤变化规律ꎮ因此ꎬ本文针对基于河道演变现象的水沙因子指标的选取及其对河床冲淤的影响进行了总结分析ꎬ并提出有待完善及进一步研究的问题ꎮ

的确定具有一定的主观性ꎬ且冲积平原河段流量与水位是多值对应关系ꎬ对于同一平滩水位ꎬ其流量变化范围较大ꎬ可能导致一定程度的误差ꎮ

２.２　冲淤临界流量

从河床冲淤年内分布特点上看ꎬ长江中游较宽河道的主流区流速大、滩槽冲刷ꎬ缓流区流速小ꎬ河床淤积ꎻ黄河下游“洪水期滩淤槽冲、枯水期槽淤滩冲”以及弯曲段凸岸边滩“洪冲枯淤”ꎬ凹岸深槽“洪淤枯冲”的年内冲淤分布特点都显示着存在一个冲淤临界流２　流量表征因子

径流量、输沙量的大小及过程均对河道演变产生明显影响ꎬ由于泥沙的输运是以水流的运动为前提的ꎬ因此不少学者认为相对于含沙量ꎬ流量特性在河床演变影响因素中占据着更大的权重ꎮ由于不同水文年内流量过程线形态各异ꎬ对流量过程的量化存在一定困难ꎬ提出了一些特征流量用来大致描述流量与河道演变之间的关系ꎮ

２.１　造床流量

造床流量是与多年实际流量过程塑造河床效果相当的某一特征流量ꎬ决定了河流的平均状态[５]道演变分析、河道规划设计等方面得到了充分的应ꎬ在河用[６]法、最大输沙率法ꎮ现阶段造床流量的计算方法主要有、平滩流量法以及频率分析法Ｍａｋｏｖｉｅｖｅꎮ河床的变化是一个完整流量过程引起的综合变化[７]

造床ꎬ流造床作用强弱以及每级造床作用持续的时间是量计算中两个重要的因子ꎬ因而Ｍａｋｏｖｉｅｖｅ

法

[８]

造床流量可表达为

Ｇ＝ＱｍＰＪ

(４)

式中ꎬＱ为上游来流量ꎻｍ为变指数ꎬ通过对河段来流量与河段输沙率的关系进行拟合确定ꎻＰ为该级流量对应的频率密度ΔꎬＰ＝ΔＰ/ΔＱꎬΔＱ流量即绘制各级流量的频率和输沙率乘积的地貌功曲Ｑ对应的频率ꎻＪ为水面比降ꎮ最大输沙率法求造床为流量分级ꎬΔＰ为线[９](Ｑ－ＱｎＰ)ꎬ取与曲线峰值相应的流量作为造床流量ꎮ平滩流量法即是采用平滩水位相应的流量作为造床流量[１０]流量大致相当于ꎻ以长江中游顺直河段为研究对象４ａ一遇的洪水流量[１１]ꎬ造床造床流量作为衡量多年造床作用的一个平均流

ꎮ

量ꎬ在水力特性、河床冲淤研究方面有着重要的参考作用ꎮ多数学者认为复式河道的漫滩流量即为造床流量ꎬ在此流量下断面流速、紊动特性、阻力分布以及泥沙输移都有显著变化[１２－１４]个河段采取不同的方法可能得出不同大小的造床流ꎮ但在具体应用方面ꎬ同一量[１５]也有可能得出不同的结论ꎮ同时ꎬ对于同一河段ꎮ、以目前使用较多的最大输同一方法ꎬ不同的操作人沙率法和平滩流量法为例ꎬ最大输沙率法中指数ｎ对于水流造床作用曲线分布有一定影响ꎬ但现阶段对于不同河段ꎬ指数ｎ的取值尚不明确ꎻ平滩流量法中水位

量ꎬ当来流量大于这个流量时ꎬ河道发生冲刷ꎬ反之则淤积[１６]随着研究的深入ꎮ

ꎬ关于流量对河道冲淤的影响逐

渐从定性分析发展到定量研究ꎮ通过对黄河及长江的洪水资料及河道冲淤分析得出黄河下游冲、淤分界流量大致在１８０００ｍ３２９０００~３５０００ｍ/ｓ３为研究对象ꎬ发现冲淤临界流量随着含沙量的增大而/左右[１７－１８]为ｓ[１９]ꎮ进一步以黄河下游河道ꎬ长江中游临界流量增大[２０]了以悬移质为主的冲积河流冲淤临界流量与水沙以及ꎬ而后有相关学者利用非饱和输沙公式ꎬ提出边界条件的一般关系式[２１]Ｑ:

ｃ＝(

ｆｋ

Ｓ)ｍ１－１

(５)

式中ꎬＱｃ为冲淤临界流量ꎻｆꎬｋ为河段的输沙特性参数ꎮ从冲淤临界流量公式中可以得出结论:冲淤临界流量随着含沙量的降低而减小ꎬ反之则有所增加ꎮ在冲淤临界流量中引入含沙量因子ꎬ是一个明显的进步ꎬ综合反映了河床的冲淤性质是水与沙的综合作用ꎮ

２.３　流量过程因子

天然河流中流量呈现较强的非恒定性ꎮ流量过程对河床的塑造作用明显ꎬ天然河道的实测资料分析及水槽试验均证实不同的流量变幅可能产生不同的河型ꎮ许多概化试验表明ꎬ当总水量一定时ꎬ各个时段流量变幅越大ꎬ断面形态越宽浅ꎬ容易形成游荡型河流ꎻ反之ꎬ断面形态窄深[２２]对于冲积河流来说ꎮ

ꎬ主流带平面位置的摆动是河

床冲淤的一大重要因素ꎬ而主流带通常随着流量的大小变化而发生平面位置迁移[２３－２４]时间的长短ꎬ与该流量级下主流所在滩槽部位的冲淤ꎮ某一流量级持续幅度相对应ꎮ据统计ꎬ长江中下游分汊河道冲淤规律与某些特征流量的持续天数存在明显相关关系ꎮ以罗湖洲水道为例ꎬ统计得出罗湖洲水道凸岸人民洲边滩面积与洪水流量、中水流量持续时间关系见图１ꎮ图１表明ꎬ洪水流量(４８０００ｍ３积越大ꎬ中水流量(１６０００~/４８ｓ)持续时间越长０００ｍ３/ｓ)持续时间越

ꎬ边滩面３４

　　人　民　长　江２０１９年　

长ꎬ则反之ꎮ同时以螺山站为例ꎬ发现螺山站洪水流量(３５０００ｍ３/ｓ以上)持续天数增加时ꎬ同期嘉鱼水道汪家洲边滩大幅度淤长[２５]ꎮ

综上所述ꎬ关于流量过程对河道演变影响的相关

含沙量再增加达到高含沙水流范畴时ꎬ冲淤情况相反[２９]ꎮ

根据长江中游河道大量水文资料分析可知ꎬ河床

的冲淤一般发生在洪水期ꎬ含沙量大小决定着冲淤的速度ꎬ当含沙量减少ꎬ冲刷会加快、淤积会减缓ꎬ当含沙量增加则反之[３０]ꎮ有学者根据三峡水库修建以前的资料统计分析ꎬ认为年冲淤量与宜昌站年平均悬移质含沙量呈正相关关系ꎮ当三峡水库蓄水运用后ꎬ水库拦截大量泥沙ꎬ中下游含沙量大幅度减少ꎬ冲刷分布特研究方法主要是概化试验及实测资料分析ꎮ试验中采用的概化流量过程跟天然流量存在一定差异ꎬ而实测资料分析得出的一些冲淤临界流量ꎬ受河道局部地形、上下游河势等影响ꎬ具有较强的地域性ꎬ且受实测地形资料的影响ꎬ代表性不够充分ꎮ

图１　人民洲边滩面积与特征流量持续天数关系Ｆｉｇ.１　ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅａｃｈｅｓｂｅｔｗｅｅｎａｒｅａｉｎＲｅｎｍｉｎｚｈｏｕｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＢｅａｃｈ

ｆｌｏｗｄｕｒａｔｉｏｎａｎｄ

３　含沙量表征因子

河道的冲淤性质取决于来沙量与水流挟沙力的对比关系ꎮ水流挟沙力可定义为一定水力条件下水流的饱和含沙量ꎬ即处于不冲不淤即输沙平衡状态下的含沙量ꎬ因此河流含沙量特性的变化将会引起河道淤积状态的变化ꎮ历年来ꎬ相关学者在我国不同流域上开展了大量关于含沙量对河流冲淤性质影响的研究ꎬ得到一系列科研成果ꎮ

对于黄河下游河道来说ꎬ影响河床冲淤相对平衡下临界含沙量的因素主要有河槽单宽流量、洪水漫滩程度、悬移质泥沙级配和床沙质最粗一组泥沙的沙重百分数等[２６]下游河道冲淤的临界含沙量为ꎮ根据实测水沙资料[２７]２１ｋｇ/ꎬｍ分析得到黄河３

量越大ꎬ临界含沙量越大[２８]ꎬ流量级下ꎬ在非高含沙水流范围内ꎮ进一步研究认为在同一而后发现流

ꎬ当含沙量减小时ꎬ河道发生冲刷ꎻ随着含沙量的增加ꎬ主槽发生淤积ꎮ当

征也逐渐由蓄水前的“冲槽淤滩”转变为“滩槽均冲”[３１]中低滩冲刷变形的演变现象ꎬ长江中游分汊河段河道出现了支汊冲刷发展ꎮ

、

４　水沙组合表征因子

近年来ꎬ人类活动和天气变化影响了我国各流域干支流的径流量和输沙量ꎬ改变了各流域泥沙的时空分布ꎬ改变了原有的水沙组合关系ꎬ影响着河道的冲淤特性[３１－３２]由于自然条件和人为活动双重因素的影响ꎮ

ꎬ水沙

强烈的不协调性成为黄河流域水沙系列的基本特征[３３]为丰富ꎬ因此关于水沙组合的相关研究在黄河流域上较ꎮ以黄河下游为研究对象ꎬ有学者通过研究河槽形态与流量、含沙量对应关系发现ꎬ这种对应关系是跟水沙组合整体的对应ꎬ而不是某一个单独因

子[３４－３５]系数作为指标ꎮ为了表示水沙组合情况[３６]ꎬ在黄河上常用来沙漫滩洪水来沙系数和主槽冲淤强度ꎬ例如有学者根据黄河下游资料发现ｑｓｍ与滩地冲淤强度ｑｓｆ之间存在线性关系(见图２)ꎬ并得出公式[３７]ｑ:

ｑｓｍ＝１２.１４ρ－０.３４

(６)ｓｆ＝－１０.７１ρ＋０.４５

(７)

并用ρ的大小来反映河道的冲淤状态ꎮ

图２　滩槽冲淤强度与来沙系数关系

Ｆｉｇ.２　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｅｒｏｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｉｎｃｏｍｉｎｇｓｅｄｉｍｅｎｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄ

长江流域水文系列总体遵循水大沙多的原则ｆｏｒｅｓｈｏｒｅ/ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｎｎｅｌｓ

ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆ

ꎬ但沙峰和洪峰在时间上的一致性在不同系列年间存在明

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ｉｎｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ[Ｍ].[ｓ.ｌ.]:ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓꎬ２０１２.

３５

显差异ꎮ基于这种情况ꎬ有学者根据荆江段大量水文资料推算出关于平滩河槽形态与汛期冲刷强度的经验公式ꎬ比如用汛期平均流量Ｑ和汛期平均悬移质Ｓ来确定冲刷强度[３８－３９]ꎬ或者用水沙组合指标ｍ及ｋ值的大小反映河段水沙组合关系及河道的发展趋势

[４０]

[８]　ＳｃｈｏｗｅｎｇｅｒｄｔＲＡ.Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ[９]　ＷｏｌｍａｎＭＧꎬＭｉｌｌｅｒＪＰ.ＭａｇｎｉｔｕｄｅａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｏｒｃｅｓｉｎＧｅｏ￣[１０]　韩其为.黄河下游输沙及冲淤的若干规律[Ｊ].泥沙研究ꎬ２００４

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从现有的水沙组合公式可知ꎬ淤积率随水沙组合指标的改变而改变ꎬ同时相应的冲淤临界流量也会发生变化ꎬ从而引起河床演变特性的变化ꎮ

目前对于水沙组合相关的研究ꎬ主要是基于长系列水文要素得出的一个趋势性指标ꎬ没能反映流量及ꎮ

含沙量的过程形态ꎬ无法准确判断某个具体水文年内不同时期的水沙同步特征ꎮ

５　结论

针对冲积性河流ꎬ总结了历年来关于河道演变研究中水沙因子指标的相关研究据着很大的权重(１)含沙量、ꎬ主要结论如下ꎮ

ꎮ流量特性在河床演变影响因素中占

目前提出了包括造床流量、冲淤临界流量(含沙量)等在内的一系列特征值ꎬ来描述含沙量及流量与河道演变特性的对应关系ꎮ但河道演变从本质上是水流与泥沙的相互作用过程ꎬ因此单独的径流或者输沙因子无法完全反映挟沙水流对河床的塑造作用ꎬ提出包括流量、输沙大小及过程的综合因子是深入研究水沙条件塑造河道过程及机理的关键富ꎬ其中水沙组合指标的提出加快了水沙条件对河道(２)对于水沙组合关系有不少研究ꎬ研究成果丰

ꎮ

演变影响的定量研究进度ꎮ目前以黄河流域为研究对象取得一系列较为成熟的研究成果ꎬ但对其他流域有待进一步的深入研究ꎬ尤其是三峡水库运行后水沙组合条件变化较大的长江流域ꎮ在长江流域上进一步深化类似研究ꎬ对于新的水沙条件下长江中下游河道演变趋势的预测具有重要意义ꎮ

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(编辑:李慧)

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引用本文:谢　炎ꎬ刘　亚ꎬ范北林.冲积河流河道演变的水沙因子指标研究进展[Ｊ].人民长江ꎬ２０１９ꎬ５０(１０):３２－３６.

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(ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｉｖｅｒＲｅｇｕｌａｔｉｏｎａｎｄＦｌｏｏｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆＭＷＲꎬＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＷｕｈａｎ４３００１０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:　

－ｓｅｄｉｍｅｎｔｆａｃｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｉｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｒｉｖｅｒｂｅｄｅｒｏｓｉｏｎａｎｄｓｉｌｔａｔｉｏｎａｒｅｔｈｅｆｏｃｕｓｏｆｒｉｖｅｒｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｒｉｖｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

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