水庫(kù)下游不同約束條件分汊河道沖刷調(diào)整規(guī)律研究

何娟,陳立,關(guān)洪林(.湖北省水利水電科學(xué)研究院,武漢430070;.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢43007)

水庫(kù)下游不同約束條件分汊河道沖刷調(diào)整規(guī)律研究

何娟1,2,陳立2,關(guān)洪林1
(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院,武漢430070;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430072)

在研究分析水庫(kù)下游河道沖刷侵蝕特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,分強(qiáng)約束型和弱約束型分汊河道,分別研究其沖刷調(diào)整的規(guī)律。研究表明:①水庫(kù)下游河道沖刷侵蝕過(guò)程往往存在先刷深、后展寬的沖刷侵蝕特點(diǎn),河岸河床組成對(duì)縱橫向侵蝕幅度的影響非常顯著。②強(qiáng)約束型分汊河道沖刷調(diào)整規(guī)律為洲灘形態(tài)的調(diào)整,沙泓、石泓的下切以及分流比的變化。③弱約束型分汊河道的沖刷調(diào)整規(guī)律為岸線的崩退,心灘、邊灘的切割侵蝕,新的洲灘形成,以及主支汊交替頻繁,主泓擺動(dòng)劇烈,汊道橫向擺動(dòng)大。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)分析了在沖刷調(diào)整過(guò)程中影響分汊河道演變的關(guān)鍵因素。

分汊河道;水庫(kù)下游;沖刷調(diào)整;河岸河床抗沖性

在我國(guó),分汊河段相當(dāng)普遍,長(zhǎng)江中下游干流、支流河道中普遍發(fā)育江心洲分汊河流。

水庫(kù)的修建將改變影響下游河道演變的基本條件(來(lái)流過(guò)程、含沙量、泥沙級(jí)配),河道發(fā)生普遍沖刷、河勢(shì)調(diào)整以及河床再造床過(guò)程。具體到分汊河段,現(xiàn)階段對(duì)水庫(kù)下游分汊河道演變規(guī)律的研究主要集中在一些具體河段的河勢(shì)變化上,而對(duì)水庫(kù)下游分汊河道沖刷調(diào)整規(guī)律以及主要制約性因素缺乏研究和總結(jié)[1]。

本文以實(shí)測(cè)資料分析為主,在研究分析水庫(kù)下游河道沖刷侵蝕特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,分強(qiáng)約束型和弱約束型分汊河道,分別研究其沖刷調(diào)整的規(guī)律,總結(jié)分析了在沖刷調(diào)整過(guò)程中影響分汊河道演變的關(guān)鍵因素,而這些問(wèn)題的回答對(duì)預(yù)測(cè)水庫(kù)下游分汊河段河勢(shì)與河型變化趨勢(shì),保持其河勢(shì)的穩(wěn)定,航道的暢通,整治工程的有效性等均有著重要的意義。

1 水庫(kù)下游的沖刷侵蝕特點(diǎn)

河道沖刷侵蝕包括河底侵蝕(又稱垂向刷深或者縱向侵蝕)和河岸侵蝕(橫向展寬或橫向侵蝕)[2]。河底、河岸侵蝕可以分別從深泓縱剖面變化和河寬變化上得以反映。圖1為漢江丹江口水庫(kù)下游太平店河段深泓縱剖面變化圖?？梢钥闯?丹江口水庫(kù)蓄水初期太平店河段深泓線縱剖面下降明顯,而后深泓縱剖面下降減緩,近年來(lái)基本達(dá)到平衡。表1為水庫(kù)蓄水以來(lái)太平店河段平均中水河寬變化表?？梢钥闯?在丹江口水庫(kù)蓄水初期太平店河段河寬變化很小,而后明顯增大。

圖1 太平店河段深泓縱剖面變化圖Fig.1 Longitudinal talweg profiles of Taipingdian reach in different years

表1 太平店河段平均河寬變化表Table 1 Water widths under the median water level in Taipingdian reach

由圖1和表1可以看出,水庫(kù)下游河道沖刷侵蝕過(guò)程中同時(shí)存在河底侵蝕和河岸侵蝕,但兩者發(fā)展進(jìn)程有所不同。水庫(kù)下游河道沖刷侵蝕過(guò)程往往存在先刷深、后展寬的沖刷侵蝕特點(diǎn),這與水流結(jié)構(gòu)與泥沙輸移特性緊密聯(lián)系。水庫(kù)下游下泄的水流整體處于不飽和狀態(tài),而由于水流流速橫向分布的特征,即河道主槽內(nèi)流速最大,水流含沙量與挾沙力之間的差異在主槽內(nèi)最大,因此河道主槽的沖刷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于灘地,在水庫(kù)蓄水初期河道以刷深為主。當(dāng)河床沖刷到一定程度時(shí),主槽內(nèi)的河床表面形成了明顯的抗沖保護(hù)層,河底抗沖性遠(yuǎn)大于岸灘抗沖性,河底侵蝕受到制約,水流轉(zhuǎn)而沖刷侵蝕沒(méi)有形成抗沖保護(hù)層的岸灘。

河岸河床組成對(duì)縱橫向侵蝕幅度的影響非常顯著,即河岸河床相對(duì)抗沖性決定水庫(kù)下游河道沖刷侵蝕的發(fā)展程度。河岸河床相對(duì)抗沖性較強(qiáng)的河段,沖刷侵蝕的主要特征是下切及深泓高程的下降,而由于河岸約束較強(qiáng),橫向展寬很小。如宜昌至虎牙灘河段斷面形態(tài)窄深,河岸約束很強(qiáng)。葛洲壩蓄水以后河段總體上以沖為主,河床整體呈下切之勢(shì)。三峽水庫(kù)蓄水以后,河段發(fā)生沖刷,從2003年3月到2005年3月,深泓共沖刷下降了1.158 m。河岸河床相對(duì)抗沖性較弱的河段,沖刷侵蝕除縱向下切外,橫向展寬也相當(dāng)劇烈。如太平店河段河岸約束很弱,1960-1987年之間,河岸崩塌嚴(yán)重,崩岸長(zhǎng)度達(dá)2.0 km,最大崩岸寬度800 m,年均44 m。

2 水庫(kù)下游分汊河段沖刷調(diào)整規(guī)律

水庫(kù)下游分汊河道總的調(diào)整趨勢(shì)同樣是在沖刷過(guò)程中進(jìn)行再調(diào)整。河岸河床的相對(duì)抗沖性成為河床形態(tài)沖刷調(diào)整的一個(gè)重要指標(biāo)。如果河岸約束較強(qiáng),則河床變形以下切為主,河槽寬深比有所減小,河道橫斷面趨于窄深,河道趨于穩(wěn)定。如果河岸約束較弱,則河床變形以展寬為主,河槽寬深比有所增加,河道橫斷面趨于寬淺,河道趨于調(diào)整。

2.1 強(qiáng)約束型分汊河段特點(diǎn)及沖刷調(diào)整規(guī)律

2.1.1 平面形態(tài)特點(diǎn)

這類河段的平面形態(tài)一般表現(xiàn)為兩端窄中間寬的“大肚子”型,窄端多有節(jié)點(diǎn)控制,放寬段有江心洲。河段河岸以及洲灘抗沖能力較好,河勢(shì)穩(wěn)定。三峽水庫(kù)下游的宜都河段就屬于此類分汊河段。

2.1.2 強(qiáng)約束型分汊河段沖刷調(diào)整規(guī)律

由于這類河段的河床岸坡抗沖能力較強(qiáng),加之有節(jié)點(diǎn)控制,水庫(kù)蓄水后河段的平面形態(tài)和河勢(shì)比較穩(wěn)定。水庫(kù)蓄水后河道的沖刷主要體現(xiàn)為洲灘形態(tài)的沖刷調(diào)整,深泓線趨彎和沙泓、石泓的沖刷下切,以及分流比的變化。

(1)洲灘形態(tài)的沖刷調(diào)整。蓄水以后由于河段沖刷加劇,邊灘必然表現(xiàn)為受沖,岸線后退,江心洲表現(xiàn)為面積縮小。例如在三峽水庫(kù)蓄水后,宜都河段沙壩灣邊灘受沖后退,南陽(yáng)磧一直縮小。

蓄水后,下泄水流含沙量急劇減小,水流挾沙能力增大。而強(qiáng)約束型分汊河段,隨著流量大小的不同,年內(nèi)水流動(dòng)力軸線在汊道內(nèi)特別是分流段有個(gè)橫向掃略的過(guò)程,蓄水后河段內(nèi)洲灘的沖刷程度和部位除了與各洲灘河岸的抗沖性有關(guān)外,與不同流量下主流所處的位置密切相關(guān)。如宜都河段三峽水庫(kù)蓄水以后的2個(gè)中水年,由于水流動(dòng)力軸線在中水流量下位于江心洲右側(cè)的石泓一邊,南陽(yáng)磧洲體左緣淤積,右緣沖刷。

(2)深泓線的調(diào)整和沙泓、石泓的變化蓄水后河岸約束強(qiáng)的分汊河段的河勢(shì)調(diào)整還表現(xiàn)為河槽的沖刷調(diào)整,即深泓線趨彎和沙泓、石泓的沖刷下切。

表2則統(tǒng)計(jì)了宜都水道的彎道中心角、河彎曲度半徑、主流線中心角和主流線曲度半徑4個(gè)深泓平面變化數(shù)據(jù)。從表中可以看出,三峽蓄水后深泓線走向變得更加彎曲。

表2 宜都水道深泓線平面變化統(tǒng)計(jì)表Table 2 Talweg variation inYidu reach

表3給出了三峽蓄水前后宜都河段沙泓、石泓平均高程統(tǒng)計(jì)值和變化情況。從表中可以看出,水庫(kù)蓄水初期,河段沙泓、石泓均發(fā)生了沖刷,但是沖刷進(jìn)程不一致,石泓沖刷下切幅度較沙泓大些。沙泓、石泓沖刷進(jìn)程不一致,導(dǎo)致沙泓、石泓兩汊高程差的減小,進(jìn)一步改變了兩汊的分流比。

表3 三峽蓄水前后宜都河段沙泓、石泓平均高程統(tǒng)計(jì)表Table 3 Elevations of talwegs of sand channel and gravel channel in Yidu reach before and after the impoundment of TGP

(3)分流比的變化。分流分沙比直接影響各汊道的興衰。發(fā)展中的汊道其分流比有逐年單向增加的特點(diǎn),衰退中的汊道其分流比則逐年減小。如果分流比變化不大,則汊道本身和各支汊之間關(guān)系保持相對(duì)穩(wěn)定。水庫(kù)蓄水后,汊道洲灘以及沙泓、石泓的調(diào)整與變化必然引起兩汊分流比的變化,表4給出了水庫(kù)蓄水后宜都河段分流比的變化。

表4 三峽蓄水前后宜都河段沙泓、石泓分流比變化Table 4 Diversion ratios in Yidu reach before and after the storage of TGP

可以看出,三峽水庫(kù)蓄水后宜都河段沙泓分流比有減小的趨勢(shì),而石泓分流比有增加的趨勢(shì)。

2.2 弱約束型分汊河段特點(diǎn)及沖刷調(diào)整規(guī)律

2.2.1 河段平面形態(tài)特點(diǎn)

這類河段河寬較大,節(jié)點(diǎn)少,約束弱;分布其中的心灘、邊灘等相對(duì)零散,高程相對(duì)較低,灘槽高差相對(duì)較小,水流分散;河岸以及洲灘抗沖能力較差。漢江丹江口水庫(kù)下游的仙人渡及太平店河段就屬于這類河段。

2.2.2 弱約束型分汊河段沖刷調(diào)整規(guī)律

由于這類河段的河床岸坡抗沖能力弱,節(jié)點(diǎn)少,加之灘槽高差相對(duì)較小。水庫(kù)蓄水后,當(dāng)河道沖刷下切,河床粗化到一定程度時(shí),河道的沖刷主要體現(xiàn)為岸線的崩退、橫斷面的展寬以及局部的撇彎切灘。隨著河道的展寬,水流分散,水流動(dòng)力降低,水流所挾帶的沿程恢復(fù)的懸移質(zhì)推移質(zhì)泥沙有可能在河段的某些部位落淤,進(jìn)而形成新的洲灘。因此,水庫(kù)蓄水后這類河段平面形態(tài)的調(diào)整非常劇烈,分流格局也很不穩(wěn)定。

(1)岸線的崩退。仙人渡河段在1960-1978年間,平均展寬340 m;1978-1995年,平均展寬118 m;1995-2002年平均展寬23.3 m?？梢?jiàn),丹江口水庫(kù)蓄水運(yùn)用40年間,該河段岸線不斷崩退,到近年才基本穩(wěn)定。

(2)心灘、邊灘的切割侵蝕。心灘、邊灘高程較低時(shí),容易受到洪水期水流的侵蝕作用。建庫(kù)前,由于洪峰水流挾帶大量的泥沙,這種侵蝕作用被制約,建庫(kù)后,洪峰時(shí)的來(lái)沙量大大減少,此時(shí),邊灘容易被切割。如仙人渡河段,在1968年丹江口水庫(kù)蓄水后就發(fā)生了切灘撇彎。

(3)新的洲灘的形成。由于河床的劇烈沖刷,被沖刷的泥沙向下游輸移的過(guò)程中,進(jìn)入寬淺分汊段以后,由于水流分散,水流動(dòng)力降低,部分推移質(zhì)泥沙將會(huì)停止推移而淤積下來(lái)。當(dāng)淤積的泥沙形成新的洲灘時(shí),將形成新的汊道,改變河段的分汊格局。如1960年太平店河段中段僅有2個(gè)不算很大的洲灘及若干個(gè)很小的灘,分汊特征不明顯。到1978年河段發(fā)展為分汊型河段,分為兩汊,右汊發(fā)展為主汊,與此同時(shí)右岸不斷崩退,河道迅速發(fā)展,除了原有江心洲淤積發(fā)育外,并且在右汊中又淤成新的江心洲,形成兩洲三汊的新格局,深泓線走中汊。

(4)主支汊交替。淤積在寬淺分汊河段的泥沙,除了可以在河槽中間形成新的洲灘,形成新的分汊外,當(dāng)其淤積部位影響到原汊道的進(jìn)流條件時(shí),還可以改變汊道的分流特性,使主支汊發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。推移質(zhì)通常沿主流帶輸移,如果分汊段的主汊位于輸移帶以內(nèi),則非常容易淤積,從而導(dǎo)致主汊的一定程度衰減,甚至發(fā)生主支汊交替,從而改變河道的分汊格局。例如仙人渡河段,1960年以前,主泓在左岸,右岸為一大邊灘;1968年,右岸的大邊灘被切割,發(fā)生撇彎切灘,形成江心洲,主泓改右岸,左汊逐漸衰亡;到1978年時(shí),右汊又分為兩支,分別為中汊和右汊,這種變化與主汊淤積有很大關(guān)系。

(5)主泓擺動(dòng)劇烈,汊道橫向擺動(dòng)大。如圖2所示,1987年以前仙人渡灘群深泓線擺動(dòng)頻繁,由于切灘撇彎所至最大擺幅曾達(dá)到1 320 m,1987-1995年由于主泓易汊,最大擺幅達(dá)1 770 m。水庫(kù)蓄水后,兩河段主泓的橫向擺動(dòng)非常大,橫向擺動(dòng)將導(dǎo)致汊道水力幾何要素的變化,如汊道長(zhǎng)度、汊道過(guò)水面積、比降的變化,從而改變汊道的分流分沙特性。

圖2 仙人渡河段深泓線位置擺動(dòng)Fig.2 Talweg variation in Xianrendu reach

3 水庫(kù)下游分汊河道沖刷調(diào)整的關(guān)鍵因素

3.1 河岸河床相對(duì)抗沖性為水庫(kù)下游分汊河段河床調(diào)整的重要指標(biāo)

水庫(kù)蓄水后,水沙條件變化,導(dǎo)致了下游河道河床的劇烈調(diào)整,下游河岸河床的相對(duì)抗沖性成為下游河床形態(tài)調(diào)整的一個(gè)重要指標(biāo)。如果河岸約束較強(qiáng),則河床變形以下切為主,河槽寬深比有所減小,河道橫斷面趨于窄深,河道趨于穩(wěn)定;其分流格局變化不大,其演變趨勢(shì)表現(xiàn)在河道內(nèi)洲灘深槽的沖刷,深泓的彎曲和分流分沙比的變化。如果河岸約束較弱,則河床變形以展寬為主,河槽寬深比有所增加,河道橫斷面趨于寬淺,河道趨于調(diào)整;其分流格局變化劇烈,其演變趨勢(shì)表現(xiàn)為岸線的崩退,主泓劇烈的橫向擺動(dòng),洲灘的切割和新洲灘的生成。

3.2 水流彎曲和展寬均為水庫(kù)下游河床自調(diào)整的方式

水庫(kù)蓄水后,宜都深泓走向變得更加彎曲,而在仙人渡和太平店河段,河床調(diào)整主要表現(xiàn)在橫向展寬。水沙條件變化下,河床調(diào)整表現(xiàn)為不同的形式,但按照最小能耗率理論的觀點(diǎn),其實(shí)質(zhì)均為將其內(nèi)部單位時(shí)間的勢(shì)能損失減到最小。

最小能耗率理論[3]通?？杀硎鰹?當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的能耗率處于最小值時(shí),它處于平衡狀態(tài),這個(gè)最小值的取得由系統(tǒng)所受的約束決定;當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)不處于平衡狀態(tài)時(shí),它的能耗率不為最小值,但是,系統(tǒng)會(huì)通過(guò)自動(dòng)調(diào)整使其能耗率達(dá)到最小狀態(tài)而獲得平衡。水沙條件變化下,下游河流處于不平衡狀態(tài),其能耗率不為最小值。采取水流彎曲的方式減小比降是降低其能耗率(VJ)的最有效途徑。如果河岸約束較弱的條件下,河道的橫向展寬降低流速也是降低其能耗率的一種方式。

3.3 水流動(dòng)力軸線擺動(dòng)在分汊河道河床調(diào)整中起關(guān)鍵作用

水流動(dòng)力軸線的擺動(dòng)對(duì)河床演變的影響可以分成2種情況。一是分汊河段本身的水流特性決定其周期性的擺動(dòng),如宜都河段;這類河段,水沙條件變化下,水流動(dòng)力軸線的擺動(dòng)將引起分汊河段分流的變化,從而可能導(dǎo)致主支汊的交替。二是水沙條件變化下,分汊河段河床自動(dòng)調(diào)整導(dǎo)致水流動(dòng)力軸線的擺動(dòng),如仙人渡和太平店河段;這種情況往往伴隨著邊灘心灘的切割和新汊道的產(chǎn)生,這同樣也會(huì)引起汊道的交替。

4 結(jié)論

(1)水庫(kù)下游河道沖刷侵蝕過(guò)程中同時(shí)存在河底侵蝕和河岸侵蝕,但兩者發(fā)展進(jìn)程有所不同。侵蝕過(guò)程往往存在先刷深、后展寬的沖刷侵蝕特點(diǎn)。河岸河床組成對(duì)縱橫向侵蝕幅度的影響非常顯著,即河岸河床相對(duì)抗沖性決定水庫(kù)下游河道沖刷侵蝕的發(fā)展程度。

(2)水庫(kù)下游強(qiáng)約束型分汊河道的沖刷調(diào)整規(guī)律為洲灘形態(tài)的沖刷調(diào)整,深泓線趨彎,沙泓、石泓的沖刷下切且下切進(jìn)程不一致;分流格局變化不大,主要表現(xiàn)在分流比的變化上。

(3)水庫(kù)下游弱約束型分汊河道的沖刷調(diào)整規(guī)律為岸線的崩退,心灘、邊灘的切割侵蝕,新的洲灘的形成;分流格局變化大,主要表現(xiàn)在主支汊交替頻繁,主泓擺動(dòng)劇烈,汊道橫向擺動(dòng)大。

(4)河岸河床相對(duì)抗沖性為水庫(kù)下游分汊河段河床調(diào)整的重要指標(biāo)。水流彎曲和展寬均為水庫(kù)下游河床自調(diào)整的方式。水流動(dòng)力軸線擺動(dòng)在分汊河道河床調(diào)整中起關(guān)鍵作用。

[1]錢寧,張仁,周志德.河床演變學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1987.

[2]錢寧,萬(wàn)兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1987.

[3]倪晉仁,馬葛乃.河流動(dòng)力地貌學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1998.

(編輯:趙衛(wèi)兵)

Research on Erosion Adjustment Law of Braided Reach in Downstream Reservoir in Different Constraint Conditions

HE Juan1,2,CHEN Li2,GUAN Hong-lin1
(1.Hubei Water Resource Research Institute,Wuhan 430070,China;2.State key laboratory of Water Resource and Hydropower Engineering Science,Wuhan University 430072,China)

On the basis of the erosion characteristic,the erosion adjustment law of braided reach in the downstream reservoir under strong and week constraint conditions is analyzed.The study results indicate as follows:①The feature of channel scouring course is to degrade first and then widen,the influence of river-bed composition on the magnitude of erosion in longitudinal and transverse directions is very distinct.②The er

o

s

ion adjustment process of the strong constraint braided channel shows the river-bed morphology variation,the cut-down of sand channel and gravel channel and change of division ratio.③The erosion adjustment process of weak constraint braided channel presents as the collapse of shoreline,erosion and cutting of beach,alternating of the main and secondary branches and largely horizontal oscillation of the main channel.And the key factors which influence the erosion adjustment of braided reach are also concluded.

braided reach;reservoir downstream;erosion adjustment;river-bank and riverbed anti-scour ability

TV147.5

A

1001-5485(2009)05-0005-04

2008-07-30;

2008-11-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAB05B03)

何娟(1981-),女,武漢市人,博士,主要從事河道演變、河流泥沙運(yùn)動(dòng)以及GIS在河道演變中的應(yīng)用和二次開發(fā),(電話) 13437283306(電子信箱)babyface 2000@sohu.com。