來水流量變化條件下沙洲沖淤試驗研究

李 露，唐 偉，王云波

（四川大學水利水電學院，四川 成都 610065）

受氣候、季節、地形變化等因素影響，河流中的沙洲一直受流速不斷變化的水流沖擊。水流流速變化不僅直接作用于沙洲本身，還會影響河道的發育和河床的演變，從而間接影響沙洲的發育。地形變化通過改變坡降影響流速分布，但地形地貌一般較為穩定，短期不會造成流速突變，導致沙洲變化。相對而言，局部范圍的氣候變化、季節交替常使來水流量變化快，流速隨之變化，進而影響沙洲發育。因此，來水流量對沙洲發育有明顯影響。

沙洲是沖積河道泥沙長期淤積的產物，河道為其提供形成發育條件的同時也對其自由發展進行了限制，沙洲的形成會受到河道分汊比、河道形狀和寬度的影響。水流受河勢、沙洲本身的影響，在左右汊的流速不同。流速快的汊道常表現為受沖擊侵蝕，流速慢的汊道常表現為泥沙、卵石等推移質沉積。經過一段時間的積累，沙洲左右側的發育情況差異明顯，從而使沙洲呈現出不同形態。

沙洲不但影響著生態、地理環境，同時對人們的生產生活也有直接或者間接的影響。近年來，國內外學者針對沙洲已有不少的研究成果。其中，高進對河流沙洲的發育進行了理論分析，導出了菱形沙洲、等腰三角形沙洲等發育長度的理論公式[1]。彭玉明對荊江汊道進行分析得出了水流速度和水沙條件對汊道形成有重要影響[2]。李志威進行了卵石沙洲發育沖刷試驗[3]，得出了卵石淤積沙洲的發育機理[4]，并分析了典型沙洲形態和河道的關系[5]。李龍成等人得出了岷江流域水沙變化的主要原因[6]。但是針對不同來水流量情況下沙洲的沖淤變形仍未有深入研究。

不同來水流量情況下，沙洲的沖淤變形大小差異比較明顯，依據最小阻力原理，沙洲的發育變形也有一定的規律。本研究采用清水沖刷試驗，用不同流量模擬不同流量的水文年對白沙河模型中的橢圓形沙洲進行沖刷，觀察總結沙洲的演變規律并分析影響其變形的主要因素。

1 試驗方法

實驗場地位于四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室內的模擬白沙河河道區內。在該模型試驗場，該河流交匯區物理模型按照重力相似準則修建，幾何比尺為1∶20，見圖1，模型總長度為25 m，總寬度為10 m。干流河段長度為24 m，河寬沿程漸變，范圍在2.35 m～7.55 m 之間，河段平均比降為1.4%；支流河段長度為4 m，河寬為2 m，平均比降為4.2%。干、支流河道床面平順相接，交匯角約為90°。

在河道模型的中間修筑了近似橢圓形（長軸∶短軸=2∶1）的沙洲，沙洲所在的河段主要按照圖1 所示布設斷面D1～D4。沙洲修筑在彎曲河道上，因此，試驗得出的結論也具有一定的針對性和特殊性，但是更符合天然河流沙洲發育的自然地理環境。

圖1 沙洲位置及斷面布設圖

本試驗共計開展9 組，采用控制變量法，以流量為唯一變量。分別采用流量級為100 L/s、140 L/s 和180 L/s 的三個流量進行沖刷，每個流量級的實驗反復做三次，避免偶然誤差，使得出的結論更具有說服力。首先，試驗前，先修整沙洲，使沙洲受沖刷前的形狀大致相同，保證變量的唯一性，但由于是人工修整，誤差也不可避免。接著使用全站儀測量地形，按照“之”字形進行取點測量，沙洲洲體處地形變化較大，取點應較密集，保證得出的結果精確。然后按照設計的流量進行沖刷，為保證時間的一致性，當實際流量達到設定流量且穩定時開始計時，沖刷時間均為2 h。同時在水流穩定時測量各斷面流速，流速測量采用螺旋槳式流速儀，精度為0.01 m/s。在沙洲上游，流速變化較小，則每隔1 m 測量一個斷面流速，每個斷面等距測量五個位置的流速，每個位置測量三個深度的流速取平均值；在沙洲周圍，水流的流速變化較大，每隔50 cm 測量一個斷面，每個斷面依據各自地形測量5 個～8 個沿程距離位置，每個位置測量三個深度的流速取平均值。同時利用水準儀測量不同斷面左右岸的水位高度。沖刷試驗結束后，關閉閘門，待實驗場地的積水完全干后，再用全站儀測量地形，避免積水反光造成測量誤差，最后用軟件Tecplot 導入數據生成地形圖，結合CAD 繪圖軟件便可獲得地形斷面對比圖。地形斷面對比圖與流速分布圖結合，分析流速對沙洲形態演變的影響，著重關注沙洲左右側發育情況的對比。

2 試驗分析

2.1 沙洲總體沖淤變形分析

圖2 沙洲不同流量沖刷前后對比圖

通過圖2 得出的沙洲沖淤前后的沙洲輪廓圖，由圖可知，處于河道中間的橢圓形沙洲在清水沖刷后，整體呈變大的趨勢。當用Q=180 L/s 的流量沖刷后，沙洲的輪廓最大，向右的偏移量最大；Q=140 L/s 的沙洲輪廓和偏移量次之；Q=100 L/s 的沙洲變化量最小。上游來水流速較大，不斷沖刷左側沙洲，而右側河彎處水流流速下降，流速較小，水流裹挾泥沙的能力下降，泥沙逐漸淤積。因此，沙洲呈現整體向河岸凹岸處偏移的趨勢。由卵礫石淤積的沙洲洲頭淺灘、邊灘和洲尾淺灘的邊坡泥沙顆粒臨界起動的受力分析可知，洲頭淺灘的推移質處在逆坡中最難起動，洲尾淺灘處在順坡次之，兩側邊灘沿水流方向最易起動，故洲頭相對于洲尾更易于推移質停留與淤積[7]。因此，整體級配均勻的沙洲在上游來水沖刷情況下，洲頭大部分質量小的細砂碎石被水流帶走，而質量大的卵碎石不易起動。此外，上游河道中的卵石等推移質被水流裹挾到洲頭滯水區，因為質量較大，來水流速不夠，推移質失去了隨水流運動的條件，便在洲頭淤積下來。最終，卵碎石等主要在洲頭；而沙洲洲尾則主要是細沙沉降。

因此，多次沖刷后，橢圓形的沙洲逐漸發育成鐮刀形沙洲，且呈現逆流向上的增長趨勢。

2.2 沙洲局部斷面沖淤變形分析

為研究流量流速變化與沙洲變化、河道發育以及河床的演變三者間的關系，選取沙洲上游、洲頭、洲尾等幾個具有代表性的斷面進行分析[8]。

從圖3 的六個斷面圖的分析對比圖上可以看到模型河段河床在不同流量沖刷下的變化情況。長江上游地區，大部分山區河流含泥沙較少，近似為清水沖刷狀態，而其沖刷河流帶走的泥沙碎石也成為了影響下游沙洲發育的重要因素。其中，D1斷面是沙洲上游河床斷面，從圖3（a）中發現100 L/s、140 L/s、180 L/s 的不同流量均對沙洲上游的河床產生不同的沖刷作用。其中，隨著流量的增大，水流流速也增大，對河床的沖刷淘蝕作用更劇烈。這是由于水流流速增加，攜帶的動能隨之增大，對河床泥沙、卵石的裹挾能力增強，最終，該處泥沙、卵石等將被帶往下游沉積。D2 斷面位于沙洲洲頭處，沖刷現象均比較明顯，但在三個不同流量級水流沖刷的條件下，沙洲左右側的坡度變化差異較大，由于沙洲使河流分汊，兩汊的流速差異較大，沙洲左側的沖刷現象明顯大于右側，且流量越大，這種態勢越明顯。D3 斷面選取的沙洲中部位置，由于沙洲修筑在河道轉彎處，具有一定的特殊性，從斷面圖中可以看出，沙洲左側（河岸凸岸側）有明顯的沖刷侵蝕現象，沙洲右側（河岸凹岸側）有明顯的淤積現象，沙洲向河岸凹岸側偏移現象明顯。D4 斷面（沙洲洲尾處）左右汊流速差減小，對沙洲的沖刷淤積影響減小。

圖3 D1～D4 斷面不同流量沖刷對比圖

從河道模型平面圖可以看出，左右汊河道并不相同。試驗模型中，左汊河道河岸凹凸變化比較小，對水流的遲滯影響小，右汊河道河岸凹凸變化較大，對水流的遲滯作用相對來說比較大。按理來說，右汊河道的水流被遲滯，卵石、泥沙等推移質沉積更多，河床應該被抬升[9]，但結果恰恰相反，這是因為水流流速的影響更大。從所選四個斷面的流速圖表分析來看，總體都是右汊河道流速更大，右汊河道水流裹挾泥沙、推動卵石的作用強度比左汊河道水流高不少，因此沙洲左側被沖刷蝕退。在河道形態與水流流速的雙重影響中，水流流速占據了主導地位。

另外，從圖4 斷面流速對比圖表中可以看出，左右汊河道水流流速差異較大。流速在很大程度上影響著沙洲變化、河道發育以及河床的演變，三者的演化作用又相互影響。圖4 中D1斷面（沙洲上游）流速呈靠近岸邊小，中間流速大的狀態。而從圖4（b）（c）中可分析出，沙洲洲頭兩側流速較大，水動力較強，沙洲上的泥沙顆粒滿足其失穩條件[10]。因此，泥沙被水流帶走，沙洲變化較大。洲頭正前方形成雍水區，流速較小，粗顆粒泥沙粘結力和水柱壓力很小，起動后仍在洲頭附近運動，而細顆粒泥沙因粘結力和水柱壓力遠超過重力，起動后失去粘結力和水柱壓力而懸浮。因此在水流流速較大地方，沙洲的泥沙起動較大，隨水流運動，在流速減小的地方，重力起主導作用而被沉積。從圖4 中可看出，流量越大，流速越大，沙洲的泥沙運動也越明顯，沙洲的變化也就越大。

流量差異越大，左右汊河道中水流流速差異越大，水流裹挾泥沙的能力也不同。左右汊的泥沙運動狀況也不同，沙洲左側的流速普遍大于右側流速，結合斷面圖可得，左側坡度沖刷后由銳角變化成直角甚至鈍角，受沖刷嚴重，而右側流速較小，主要為淤積，沙洲的坡度越來越緩，河床逐漸抬升，所以沙洲向河岸凹岸處偏移的趨勢越來越大，甚至出現與凹岸側合并的現象，橢圓形沙洲逐漸向鐮刀形沙洲演變。從圖4（d）中可看出D4斷面的流速差距最小，兩汊匯流，對洲尾有一定量的沖刷，因此，在彎曲河流中，鐮刀形沙洲的發育也尚不穩定，會逆向上游增長，逐漸形成在順直河段中較穩定的橢圓沙洲。

圖4 D1～D4 斷面流速對比圖

3 結論

1）來水流量導致的流速變化是分汊型河流和沙洲演變的重要因素。流量越大，洲頭的沖刷越明顯，沙洲洲體的位置偏移以及形狀變化越明顯。沙洲變化、河道發育、河床演變，三者的演化作用是相互影響的。

2）在天然河流中，分汊型河道左右兩汊的流速差別較大。河道凸岸的流速較大，對沙洲的沖刷較明顯，沙洲呈沖刷蝕退的趨勢，河道凹岸側，流速相對較小，呈淤積狀態，且流速越大，沖淤現象越明顯。

3）天然河流大多呈曲折分布，位于彎曲河道中的橢圓形沙洲在不同水文年來水流量的沖刷下，則可能呈現向河道凹岸發育，甚至并岸的趨勢。且在河彎處會由橢圓形發育為鐮刀形沙洲，再逐漸形成順直河段穩定的橢圓形沙洲。