沙洋站斷面輸沙特性芻議

伏 琳,吳士夫

(1.長江水利委員會(huì)沙洋水文站,湖北 荊門 448200;2.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430212)

1 概 況

沙洋水文站是長江流域漢江下游的重要控制站之一,是控制漢江下游水情的一類精度基本站。此站初設(shè)于1929年5月1日,原站名沙洋(一),后下遷至新城,因新城測驗(yàn)困難又遷回沙洋,現(xiàn)用站名沙洋(三)。測驗(yàn)河段設(shè)在沙洋城區(qū)下游約lkm,基本水尺斷面位于沙洋大橋下游600m處,流速儀測流斷面位于基本水尺斷面下游1 220m處,控制流域面積144 219km2,距河口距離297km。河段兩岸均為堤防,無支流入?yún)R,測流斷面上游約1.8km有沙洋公路橋,左岸下游約400m為天門進(jìn)水閘,測驗(yàn)河段河床為細(xì)泥沙土組成,土質(zhì)松散,河床沖淤變化劇烈,屬游蕩性河床,主泓擺動(dòng)不定,變化范圍可達(dá)200m。水位流量關(guān)系受洪水漲落和斷面沖淤雙重影響,2009年黃莊上游不遠(yuǎn)的滾水壩啟用后,斷面的水位流量和水沙特性產(chǎn)生了較以往更為復(fù)雜的變化。

2 斷面河床沖淤分析

引起河床演變的根本原因是輸沙的不平衡,而進(jìn)一步的深層原因,則是動(dòng)床之中水沙兩相流的內(nèi)在矛盾以及不恒定流等外部條件(上游水沙條件和河床周界條件)?？v向輸沙的不平衡會(huì)引起河床的縱向變形,橫向輸沙的不平衡則引起河床的橫向變形,而局部輸沙的不平衡將引起河床局部變形。因此河床和水流具有“自動(dòng)調(diào)整作用”,即在不斷淤積和沖刷的發(fā)展過程中,河床和水流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整,通過改變河寬、比降、水深、床沙組成等使本河段的水流挾沙能力與上游的來水來沙條件趨于相互適應(yīng),從而使淤積和沖刷向著其停止的方向發(fā)展。所以說,輸沙的平衡狀態(tài)只能是相對(duì)的、暫時(shí)的。來水來沙的改變及河床上周而復(fù)始的沙波運(yùn)動(dòng),必然再次重復(fù)引起新的輸沙不平衡,從而促使河床發(fā)生新的變形。沙洋站斷面所處河段比較順直,但下游不遠(yuǎn)處有一曲率半徑較小的彎道。順直河道的右岸一般為較易沖刷的河漫灘沖積層,雖岸線形態(tài)順直,但主流流路彎曲,因此較易形成兩岸交錯(cuò)排列的灘槽,主流線向下緩慢蠕動(dòng),灘槽相應(yīng)發(fā)生沖淤變化,變化較大的年份甚至可以發(fā)生灘槽易位。而下游彎道環(huán)流作用引起橫向輸沙不平衡的演變趨勢、撇彎現(xiàn)象,也能在一定程度上上溯影響到沙洋斷面的河床變化。除此之外,由于上游丹江口水庫攔蓄了大量的泥沙,水庫下游的河床調(diào)整都應(yīng)趨向于調(diào)平比降以重建平衡。但到目前為止,沙洋站斷面的沖淤變化依然很劇烈。圖1顯示的是沙洋站斷面2004～2008年的大致變化趨勢,斷面的沖淤劇烈變化顯而易見。

圖1 沙洋站2004～2008年斷面變化趨勢圖

3 斷面水沙量分析

降水產(chǎn)生了地表徑流,因而入?yún)R的河水不可避免地含有了泥沙,如此一來水與泥沙本身形成了一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體,這在河流學(xué)中叫做兩相流。水流中含有泥沙本身就是河流之所以成為一個(gè)矛盾統(tǒng)一體的基因。水流創(chuàng)造河床,沖刷河床,河床約束水流,改變河勢,水與沙或者說水流與河床這一矛盾的統(tǒng)一體就是河流內(nèi)部的矛盾關(guān)系,而水流則是這一矛盾的主要方面。由于在水流沖刷河床,河床約束水流的相互制約及促進(jìn)過程中,最終起決定作用的還是主動(dòng)性較強(qiáng)的水流。因此河流變化中所表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象,正是水流與河床矛盾運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。建壩以后,進(jìn)入壩下游河流的水沙條件會(huì)有不同程度的改變,從而引起了水庫下游河流的再造床過程。水庫下泄清水以后,下游河道調(diào)整的總方向是要降低河槽的挾沙力,使與減小的來沙量相適應(yīng)。因此,要了解河流的輸沙量。同時(shí)也要知道其徑流量。將矛盾體的兩方面結(jié)合起來分析。沙洋站的水位流量關(guān)系主要受上游丹江口水庫的出庫流量和唐白河的來水影響。關(guān)系線一般中高水呈逆向繩套趨勢,低水一般呈臨時(shí)單一線趨勢。來水的不同使沙粒組成有較大區(qū)別:丹江口水庫出庫水沙沙粒粒徑較粗,而水庫下游至本斷面流域的降雨產(chǎn)匯流形成的沙質(zhì)較細(xì),土質(zhì)黏性粉沙占較大比例。且這個(gè)在早床過程還在繼續(xù),斷面的縱橫向無論是年際變化還是年內(nèi)變化都仍然較大。如圖2所示,斷面的主漕逐步右移。

圖2 沙洋站2009年8月斷面變化趨勢圖

4 歷年懸移質(zhì)含沙量測驗(yàn)情況

該站自建站以來,懸移質(zhì)含沙量測驗(yàn)一直采用全斷面輸沙和相應(yīng)單沙測驗(yàn)相結(jié)合,建立單沙-斷沙相關(guān)關(guān)系推求斷沙進(jìn)行資料整理。斷沙的測驗(yàn)方法均采用10線1∶1∶1垂線混合取樣。相應(yīng)單沙代表性垂線起點(diǎn)距的確定按水位級(jí)分段取樣:≥36.2m時(shí)在160m、360m、480m 處;≤36.2m時(shí)在160m、200m、360m 處;取樣均采用 1∶1∶1定比混合。某些年份因?yàn)┲奁鸱兓粍?dòng)臨時(shí)改變?nèi)哟咕€。該站懸移質(zhì)含沙量測驗(yàn)在進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來,由于河床灘洲變化、主泓主槽左右擺動(dòng)不定,單樣取樣位置已經(jīng)嚴(yán)重失去代表性,至1997年已經(jīng)不能用單斷沙關(guān)系推求斷沙,期間采用斷沙過程線法推求斷沙。自1998年起至今,全年推沙舍棄單斷沙關(guān)系,均采用斷沙過程線法來推求。2008年的單沙恢復(fù)分析由于斷面沖淤的劇烈變化也沒能找到較好的代表性。由于本河段河流主泓線逐年向下緩慢左右蠕動(dòng),灘槽時(shí)刻在發(fā)生沖淤變化,灘槽易位的現(xiàn)象亦是常有發(fā)生。斷面的輸沙特性較為復(fù)雜。當(dāng)斷面的主泓和主漕在左岸時(shí),目前該站使用的采樣起點(diǎn)距的代表性才比較好(現(xiàn)在采樣起點(diǎn)距大致為左密右稀),但依近年水沙情況的變化(主泓主漕已移向右岸)來看,該斷面的采樣起點(diǎn)距的代表性需要根據(jù)其橫斷面的輸沙變化和沙洲移動(dòng)而做相應(yīng)改動(dòng),否則將在大部分時(shí)間里失去較好的代表性。

5 總 結(jié)

從來水來沙條件塑造河槽,河槽形態(tài)反過來約束水流泥沙運(yùn)動(dòng),并控制河床演變特性和輸沙特性的方案出發(fā),可以發(fā)現(xiàn)河槽形態(tài)在河型轉(zhuǎn)化中起著關(guān)鍵作用。河槽形態(tài)是不同河型的主要標(biāo)志,也是形成不同河型的控制條件。河槽形態(tài)不同對(duì)輸沙特性的影響,反映了不同河型的形成與演變特性。而河槽特性是由長期來水來沙條件所決定的,來水來沙條件不同,河道演變、輸沙特性也不同。加注河流的來水來沙條件、包括來沙組成與水沙搭配情況,前者往往決定于流域地表流失物組成,后者是流域降雨產(chǎn)沙和區(qū)間輸移匯流條件決定的,來沙組成與水沙搭配之間往往存在著內(nèi)在的聯(lián)系。比如說上游丹江口閘壩減少下泄量,但閘壩和沙洋站之間的產(chǎn)沙量在一段時(shí)間內(nèi)較大,即水流挾沙力小于來沙量。則該斷面產(chǎn)生淤積。若相反則產(chǎn)生沖刷,即河床質(zhì)變?yōu)閼乙瀑|(zhì)或推移質(zhì)隨水流下瀉以及右岸細(xì)沙質(zhì)泥土的大量坍塌進(jìn)入河床隨水流下泄。丹江口水庫基本上攔蓄了漢江上游全部的細(xì)沙,沖刷使床沙逐漸粗化,它的變化會(huì)逐漸影響到下游以及下游更遠(yuǎn)處。這樣也致使懸移質(zhì)比例減少,推移質(zhì)比例加大。而推移質(zhì)運(yùn)行較慢,在運(yùn)行過程中不斷地與床沙進(jìn)行交換,在中、枯水水流歸槽后這些推移質(zhì)常以局部三角洲形式向前推進(jìn)。自丹江口水庫蓄水后,其閘壩下泄量常年多為中水流量(800～1 500m3/s),漢江的輸沙量從20世紀(jì)中期至今,其上游98%的來沙被攔蓄在庫區(qū)內(nèi),下泄的主要是粗沙。但這粗沙的粒徑也正在經(jīng)歷越來越細(xì)的變化。

目前漢江梯級(jí)開發(fā)形勢大好,沙洋站斷面附近有上游已建成的宜家湖滾水壩和下游在建的新隆滾水壩。如此一來,來水不變時(shí)斷面的縱比降會(huì)大幅度減小,從而減小來水的水流挾沙力,斷面的水位會(huì)因閘壩的開啟而有更多的起伏變化。同時(shí)沙洋站斷面輸沙變化也會(huì)較以往繁復(fù)。另外該斷面上下游100m以內(nèi)有大量的采砂船晝伏夜出違法采砂,所以采樣計(jì)算出來的輸沙量將因其而受到一定的影響。隨著南水北調(diào)工程全線運(yùn)行和梯級(jí)開發(fā)各滾水壩的相繼建成,未來沙洋站的水沙特性會(huì)和以往及現(xiàn)在有很大的變化?？傮w應(yīng)向著輸沙量減小的趨勢及水流挾沙力與來沙量相對(duì)平衡的趨勢靠近。