沖積河流河道演變的水沙因子指標研究進展

(長江科學院 水利部江湖治理與防洪重點實驗室，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

河道演變主要影響因素包括來水、來沙及河床周界條件。具體而言，主要包括來水量及其變化過程，來沙量、來沙組成及其變化過程，出口侵蝕基點，河床組成，地理地質條件等。對于沖積河道來說，來水來沙條件是最主要的，一方面因為來水來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，后兩個條件往往受其影響，甚至是其派生因素。而且，進口水沙條件時刻處于發展變化過程中，影響著河流的沖淤特性，這對于理解河道演變的基本理論并進行合理預測起著至關重要的作用。

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

Bi/H=ξ

(1)

式中，i和ξ均為待定參數, 隨河床邊界組成不同而異。通過對河相關系做進一步研究，有學者認為沖積性河流的河相關系應是水流含沙量的函數，對于高含沙洪水河段河相關系可表示為[3]

(2)

式中,Sv為水流含沙量。隨著對河相關系認識的不斷深入，更多的流域因子被引入，從而衍生出了一系列河相關系的半經驗半理論公式，如竇國仁[4]基于假說理論建立的河相關系：

(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流速和懸沙止動流速；β為涌潮系數；α為河床與河底的相對穩定系數；比例系數b一般取值0.5；對于大多數平原河流參數k=3～5。但是目前對于河相關系的認識還遠不能穩定描述出河道演變的特征及規律。此后，有學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研究河道沖淤變化規律。因此，本文針對基于河道演變現象的水沙因子指標的選取及其對河床沖淤的影響進行了總結分析，并提出有待完善及進一步研究的問題。

2 流量表征因子

徑流量、輸沙量的大小及過程均對河道演變產生明顯影響，由于泥沙的輸運是以水流的運動為前提的，因此不少學者認為相對于含沙量，流量特性在河床演變影響因素中占據著更大的權重。由于不同水文年內流量過程線形態各異，對流量過程的量化存在一定困難，提出了一些特征流量用來大致描述流量與河道演變之間的關系。

2.1 造床流量

造床流量是與多年實際流量過程塑造河床效果相當的某一特征流量，決定了河流的平均狀態[5]，在河道演變分析、河道規劃設計等方面得到了充分的應用[6]。現階段造床流量的計算方法主要有Makovieve法、最大輸沙率法、平灘流量法以及頻率分析法。

河床的變化是一個完整流量過程引起的綜合變化[7]，造床作用強弱以及每級造床作用持續的時間是造床流量計算中兩個重要的因子，因而Makovieve法[8]造床流量可表達為

G=QmPJ

(4)

式中,Q為上游來流量；m為變指數，通過對河段來流量與河段輸沙率的關系進行擬合確定；P為該級流量對應的頻率密度，P=ΔP/ΔQ，ΔQ為流量分級，ΔP為ΔQ對應的頻率；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)，取與曲線峰值相應的流量作為造床流量。平灘流量法即是采用平灘水位相應的流量作為造床流量[10]；以長江中游順直河段為研究對象，造床流量大致相當于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。多數學者認為復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]。但在具體應用方面，同一個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，對于同一河段、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n對于水流造床作用曲線分布有一定影響，但現階段對于不同河段，指數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應關系，對于同一平灘水位，其流量變化范圍較大，可能導致一定程度的誤差。

2.2 沖淤臨界流量

從河床沖淤年內分布特點上看，長江中游較寬河道的主流區流速大、灘槽沖刷，緩流區流速小，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”的年內沖淤分布特點都顯示著存在一個沖淤臨界流量，當來流量大于這個流量時，河道發生沖刷，反之則淤積[16]。

隨著研究的深入，關于流量對河道沖淤的影響逐漸從定性分析發展到定量研究。通過對黃河及長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]，長江中游臨界流量為29 000～35 000 m3/s[19]。進一步以黃河下游河道為研究對象，發現沖淤臨界流量隨著含沙量的增大而增大[20]，而后有相關學者利用非飽和輸沙公式,提出了以懸移質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。從沖淤臨界流量公式中可以得出結論：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，是一個明顯的進步，綜合反映了河床的沖淤性質是水與沙的綜合作用。

2.3 流量過程因子

天然河流中流量呈現較強的非恒定性。流量過程對河床的塑造作用明顯，天然河道的實測資料分析及水槽試驗均證實不同的流量變幅可能產生不同的河型。許多概化試驗表明，當總水量一定時，各個時段流量變幅越大，斷面形態越寬淺，容易形成游蕩型河流；反之，斷面形態窄深[22]。

對于沖積河流來說，主流帶平面位置的擺動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生平面位置遷移[23-24]。某一流量級持續時間的長短，與該流量級下主流所在灘槽部位的沖淤幅度相對應。據統計，長江中下游分汊河道沖淤規律與某些特征流量的持續天數存在明顯相關關系。以羅湖洲水道為例，統計得出羅湖洲水道凸岸人民洲邊灘面積與洪水流量、中水流量持續時間關系見圖1。圖1表明，洪水流量(48 000 m3/s)持續時間越長，邊灘面積越大，中水流量(16 000～48 000 m3/s)持續時間越長，則反之。同時以螺山站為例，發現螺山站洪水流量(35 000 m3/s以上)持續天數增加時，同期嘉魚水道汪家洲邊灘大幅度淤長[25]。

綜上所述，關于流量過程對河道演變影響的相關研究方法主要是概化試驗及實測資料分析。試驗中采用的概化流量過程跟天然流量存在一定差異，而實測資料分析得出的一些沖淤臨界流量，受河道局部地形、上下游河勢等影響，具有較強的地域性，且受實測地形資料的影響，代表性不夠充分。

圖1 人民洲邊灘面積與特征流量持續天數關系Fig.1 Relationship between characteristic flow duration and beaches area in Renminzhou Beach

3 含沙量表征因子

河道的沖淤性質取決于來沙量與水流挾沙力的對比關系。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下的含沙量，因此河流含沙量特性的變化將會引起河道淤積狀態的變化。歷年來，相關學者在我國不同流域上開展了大量關于含沙量對河流沖淤性質影響的研究，得到一系列科研成果。

對于黃河下游河道來說，影響河床沖淤相對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、懸移質泥沙級配和床沙質最粗一組泥沙的沙重百分數等[26]。根據實測水沙資料[27]，分析得到黃河下游河道沖淤的臨界含沙量為21 kg/m3，而后發現流量越大，臨界含沙量越大[28]。進一步研究認為在同一流量級下，在非高含沙水流范圍內，當含沙量減小時，河道發生沖刷；隨著含沙量的增加，主槽發生淤積。當含沙量再增加達到高含沙水流范疇時，沖淤情況相反[29]。

根據長江中游河道大量水文資料分析可知，河床的沖淤一般發生在洪水期，含沙量大小決定著沖淤的速度，當含沙量減少，沖刷會加快、淤積會減緩，當含沙量增加則反之[30]。有學者根據三峽水庫修建以前的資料統計分析，認為年沖淤量與宜昌站年平均懸移質含沙量呈正相關關系。當三峽水庫蓄水運用后，水庫攔截大量泥沙，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”轉變為“灘槽均沖”[31]，長江中游分汊河段河道出現了支汊沖刷發展、中低灘沖刷變形的演變現象。

4 水沙組合表征因子

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

由于自然條件和人為活動雙重因素的影響，水沙強烈的不協調性成為黃河流域水沙系列的基本特征[33]，因此關于水沙組合的相關研究在黃河流域上較為豐富。以黃河下游為研究對象，有學者通過研究河槽形態與流量、含沙量對應關系發現，這種對應關系是跟水沙組合整體的對應，而不是某一個單獨因子[34-35]。為了表示水沙組合情況，在黃河上常用來沙系數作為指標[36]，例如有學者根據黃河下游資料發現漫灘洪水來沙系數和主槽沖淤強度qsm與灘地沖淤強度qsf之間存在線性關系(見圖2)，并得出公式[37]：

qsm=12.14ρ-0.34

(6)

qsf=-10.71ρ+0.45

(7)

并用ρ的大小來反映河道的沖淤狀態。

圖2 灘槽沖淤強度與來沙系數關系Fig.2 Relationship between incoming sediment coefficient and erosion/sedimentation intensity of foreshore and channels

目前對于水沙組合相關的研究，主要是基于長系列水文要素得出的一個趨勢性指標，沒能反映流量及含沙量的過程形態，無法準確判斷某個具體水文年內不同時期的水沙同步特征。

5 結 論

針對沖積性河流，總結了歷年來關于河道演變研究中水沙因子指標的相關研究，主要結論如下。

(1) 含沙量、流量特性在河床演變影響因素中占據著很大的權重。目前提出了包括造床流量、沖淤臨界流量(含沙量)等在內的一系列特征值，來描述含沙量及流量與河道演變特性的對應關系。但河道演變從本質上是水流與泥沙的相互作用過程，因此單獨的徑流或者輸沙因子無法完全反映挾沙水流對河床的塑造作用，提出包括流量、輸沙大小及過程的綜合因子是深入研究水沙條件塑造河道過程及機理的關鍵。

(2) 對于水沙組合關系有不少研究，研究成果豐富，其中水沙組合指標的提出加快了水沙條件對河道演變影響的定量研究進度。目前以黃河流域為研究對象取得一系列較為成熟的研究成果，但對其他流域有待進一步的深入研究，尤其是三峽水庫運行后水沙組合條件變化較大的長江流域。在長江流域上進一步深化類似研究，對于新的水沙條件下長江中下游河道演變趨勢的預測具有重要意義。