荊江河段水沙條件與主流線特征關(guān)系研究

劉 亞，李義天，孫昭華，陳 飛

(1.長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010;2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072;2.長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430011)

河道主流線是天然河道水流運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要特征，與河床演變密切相關(guān)，是決定河勢、河型變化的重要因素.對(duì)于沖積平原來說，主流頂沖部位往往出現(xiàn)嚴(yán)重坍岸，涉及堤防安全，應(yīng)特別重視.長江荊江河段洲灘發(fā)育，主流擺動(dòng)頻繁，航槽位置多變.關(guān)于荊江河段的演變研究數(shù)量眾多，但多是河道演變現(xiàn)象的描述［1－3］，且局限于一些重點(diǎn)礙航水道［4－5］，局部河段的主流線變化作為河道演變現(xiàn)象之一穿插于岸線、洲灘演變中也做了相關(guān)說明，缺乏對(duì)整個(gè)河段主流變化特點(diǎn)的系統(tǒng)研究.張植堂［6］、張篤敬［7］等著眼于單個(gè)彎道，在河床形態(tài)差異較小的基礎(chǔ)上，結(jié)合荊江河彎實(shí)測資料揭示了彎道水流動(dòng)力軸線“高水取直，低水坐彎”的年內(nèi)變化規(guī)律，并各自采用不同的變量給出了相關(guān)半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，但由于表達(dá)式基于的河彎實(shí)測數(shù)據(jù)有限，其適用性受到一定限制.段光磊［8］、蔡大富［9］等分別從典型洲灘演變及河彎平面形態(tài)方面討論了荊江河段的演變規(guī)律，認(rèn)為局部河段的主流線變化主要受制于本河段河床形態(tài)、水流動(dòng)量、上下游河勢及人類活動(dòng)等因素，而長河段的主流線整體變化，宏觀上看更趨向于河勢、河型的變化特點(diǎn).

多數(shù)研究［10－11］認(rèn)為廣闊深厚的二元結(jié)構(gòu)邊界條件、較小的流量變幅及作用時(shí)間較長的造床流量、縱向沖淤基本平衡、汛期比降小于枯期等條件是下荊江蜿蜒河型產(chǎn)生與維持的重要因素，但關(guān)于荊江在發(fā)展演變過程中河型的調(diào)整及其影響因素研究甚少.本文以枯水期河道主流線的變化說明近50年來荊江河型的調(diào)整趨勢，將其歸結(jié)為坐彎與取直兩大類，以平灘面積和寬深比表征的斷面形態(tài)闡述引發(fā)主流彎曲程度變化的直接原因，通過統(tǒng)計(jì)相應(yīng)時(shí)段內(nèi)一些水沙條件特征值的變化，結(jié)合河道演變的平衡趨向性原理分析說明水沙條件與主流曲直變化的內(nèi)在聯(lián)系.

1 荊江河段主流變化

荊江河段(圖1)是發(fā)育于江漢平原與洞庭湖平原的沖積性河道，上起枝城，下至城陵磯，長約347km，距三峽水利樞紐約100km，以藕池口為界分為上、下荊江.上荊江以微彎分汊段為主，整體河勢穩(wěn)定少變.下荊江以單一彎道段為主，主流順著各彎道凹岸蜿蜒而行，河勢調(diào)整較為頻繁，近50年發(fā)生大的河勢變化有1966—1972年的中洲子、上車灣人工裁彎和沙灘子自然裁彎工程，以及1994年石首河彎的撇灘.由于沖積河流上下游演變之間聯(lián)系緊密，往往具有“一彎變、彎彎變”的特點(diǎn).下荊江的裁彎工程主要通過改變長河段比降使得水流動(dòng)量增加，改變了河段內(nèi)的水沙條件，從而引起上下游河段主流線的調(diào)整變化.

圖1 荊江河段主流線Fig.1 Main streamline of Jingjiang reach

1.1 彎曲分汊段

按主流變化特點(diǎn)可將荊江彎曲分汊段分為主流位置較穩(wěn)定和不穩(wěn)定的汊道.主流位置不穩(wěn)定的汊道，其主流隨不同水文系列年在左右汊間擺動(dòng)，或在主汊內(nèi)大幅度的坐彎取直(如三八灘、金城洲、突起洲、烏龜洲)，本文研究重點(diǎn)為后者.統(tǒng)計(jì)了不同時(shí)間段各河道深泓彎曲系數(shù)k(k=L/H，H為分汊段分、匯流點(diǎn)的直線距離;L為分、匯流點(diǎn)深泓線長度)，具體數(shù)值見表1.

表1 彎曲分汊段深泓彎曲系數(shù)Tab.1 Sinuosity coefficient of thalweg in bifurcated reaches

由表1可見，荊江各汊道段彎曲系數(shù)有大有小，下荊江烏龜洲汊道段彎曲系數(shù)較大，且變化幅度也大.由于各汊道段實(shí)測資料年限不一致，為了避免各汊道彎曲系數(shù)絕對(duì)值大小而引起的權(quán)重誤差，本文計(jì)算了各分汊段深泓彎曲系數(shù)的相對(duì)變化率，并計(jì)算其5年平均值.計(jì)算結(jié)果表明，20世紀(jì)70年代初期及90年代中期平均彎曲系數(shù)達(dá)最小值，主流順直;60年代及80年代中期達(dá)最大值，主流坐彎.

1.2 單一彎道段

單一彎道段主流變化表現(xiàn)為深泓彎曲半徑的增大或減小，根據(jù)段文忠［3］等統(tǒng)計(jì)的下荊江15個(gè)河彎特征值，并結(jié)合實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)出荊江17個(gè)河彎的平均深泓半徑見表2.可見，自20世紀(jì)60年代中期開始，深泓半徑增大，70年代初期達(dá)到極大值，而后逐漸下降，80年代中期達(dá)到極小值，而后開始上升，90年代中期，深泓彎曲半徑增加約700m，即在70年代初、90年代中期彎道深泓半徑較大，主流較為順直，而80年代中期深泓彎曲半徑較小，主流彎曲.

表2 單一彎道段深泓半徑Tab.2 Radius of thalweg in bifurcated reaches m

彎曲系數(shù)與深泓半徑同為衡量主流曲直程度的特征值，主流越彎曲，彎曲系數(shù)越大，深泓半徑越小.但因兩者數(shù)量級(jí)及量綱不一致，不便于統(tǒng)一比較分析.因此，本文定義了相對(duì)彎曲特征常數(shù)r，統(tǒng)一描述彎曲分汊段與單一彎道段主流曲直變化特點(diǎn).

圖2 荊江河段主流彎曲特征數(shù)變化Fig.2 Sinuosity eigenvalue of mainstream in Jingjiang reach

式中:ki為彎曲分汊段的彎曲系數(shù);Rj為單一彎道段深泓彎曲半徑(km);n1，n2分別為統(tǒng)計(jì)彎曲分汊及單一彎道的河段數(shù).r＜0表示某一時(shí)段主流彎曲程度小于統(tǒng)計(jì)時(shí)段的平均值，據(jù)此認(rèn)為主流取直;r＞0表示某一時(shí)段主流彎曲程度大于統(tǒng)計(jì)時(shí)段的平均值，據(jù)此認(rèn)為主流坐彎，r越大，主流越彎曲.

計(jì)算近50年荊江河段的彎曲特征數(shù)見圖2.可見，60年代后期以前、70年代末期至80年代后期，彎曲特征數(shù)大于0，主流坐彎;其他時(shí)間小于0，主流取直.

2 水沙條件與主流特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系

水沙條件是塑造河床的直接動(dòng)力和物質(zhì)條件，因而也是影響河道演變最活躍的因素.鑒于天然水文過程存在隨機(jī)波動(dòng)，本文采用移動(dòng)平均的方法，使序列高頻振蕩(水沙特別年份)對(duì)水沙變化趨勢的影響得以弱化.同時(shí)河床的調(diào)整通常要滯后于水流條件的變化，已有研究成果［13］表明，在移動(dòng)平均年數(shù)為4～5 a時(shí)，水沙條件與河床形態(tài)相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值，因此本文以5 a移動(dòng)平均值變化分析水沙條件的變化趨勢.

2.1 流量與主流彎曲特征對(duì)應(yīng)關(guān)系

統(tǒng)計(jì)了荊江河段典型水文站年內(nèi)流量離勢系數(shù)CV、汛期平均流量及其洪峰變差系數(shù)的移動(dòng)平均趨勢線，且對(duì)比于前文所述彎曲特征數(shù)r的變化，以此初步說明近50年來流量的變化與主流彎曲特征變化的關(guān)系(見圖3～5).

圖3 典型站流量離勢系數(shù)與彎曲特征數(shù)Fig.3 Correlation between sinuosity eigenvalue and coefficient of dispersion of discharge

圖4 典型站汛期平均流量Fig.4 Correlation between sinuosity eigenvalue and averaged flood discharge

圖5 典型站洪峰變差系數(shù)Fig.5 Correlation between sinuosity eigenvalue and coefficient of dispersion of flood flow

總體看來，沙市和監(jiān)利站的年內(nèi)流量離勢系數(shù)、汛期平均流量與洪峰變差系數(shù)變化趨勢較一致，自20世紀(jì)60年代開始下降，于70年代初期達(dá)到極小值，而后呈上升趨勢，80年代中期達(dá)到極大值，隨后下降并于90年代中期達(dá)到第2個(gè)極小值.同時(shí)，各特征值變化與主流彎曲特征數(shù)變化呈良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主流取直時(shí)段，年內(nèi)流量離勢系數(shù)、汛期平均流量及洪峰變差系數(shù)減小，流量年內(nèi)分配較為均勻;主流坐彎時(shí)段，年內(nèi)流量離勢系數(shù)、汛期平均流量及洪峰變差系數(shù)增大，流量年內(nèi)分配較為集中，洪峰尖瘦，洪水陡漲陡落特征明顯.

2.2 含沙量與主流彎曲特征對(duì)應(yīng)關(guān)系

泥沙是塑造河床的主要因素之一，輸沙量反映了河段進(jìn)出口泥沙的變化，從荊江河段典型水文站年輸沙量的變化(圖6)來看，自1950年以來，沙市、監(jiān)利站均呈現(xiàn)升－降－升－降的過程，出現(xiàn)2個(gè)極大、極小值，且與主流位置變化一致，70年代初及90年代中期輸沙量達(dá)到極小值，主流取直，60年代中期及80年代中期輸沙量達(dá)到極大值，主流坐彎.

圖6 典型站年輸沙量變化Fig.6 Correlation between sinuosity eigenvalue and sediment runoff

來沙過程對(duì)河床塑造作用的影響尤為重要.來沙過程指來沙量的年內(nèi)分配，本質(zhì)上是指水沙的搭配關(guān)系.由輸沙量－流量關(guān)系式Qs=kQm可得，m為系數(shù).可見，當(dāng)Q一定時(shí)，m越大，則含沙量隨流量的增加率越大，水沙搭配所表現(xiàn)出的“大水帶大沙、小水帶小沙”的特征就越明顯，來沙年內(nèi)分配越不均勻;m越小，來沙量隨流量的增加率越小，來沙年內(nèi)分配過程較均勻，大、小水含沙量差別相對(duì)較小，枯水期含沙量次飽和與洪水期含沙量超飽和程度較低.根據(jù)新廠、監(jiān)利水文站水沙資料，用最小二乘法擬合出日均輸沙率與流量的乘冪關(guān)系，指數(shù)m隨時(shí)間的變化見圖7.水沙搭配關(guān)系的變化與主流彎曲特征數(shù)呈現(xiàn)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，60年代及80年代中期m值較大，來沙相對(duì)集中，年內(nèi)大水帶大沙、小水帶小沙的特征明顯，彎曲特征數(shù)較大，主流坐彎;70年代初及90年代中期來沙年內(nèi)分配較為均勻，大小水含沙量差別相對(duì)較小，彎曲特征數(shù)較小，主流取直.

圖7 水沙搭配關(guān)系變化Fig.7 Correlation between sinuosity eigenvalue and sediment transport index

2.3 水沙條件影響主流變化機(jī)理分析

對(duì)于沖積性河道來說，來水來沙條件是影響河床演變最主要的因素，河流通過調(diào)整河床邊界條件與來水來沙相適應(yīng)，流量過程的均勻化，尤其是漫灘洪水出現(xiàn)幾率的減小，使得凸岸邊灘淤積減少，導(dǎo)致河床寬深比增大.年內(nèi)水沙搭配關(guān)系的變化也會(huì)影響主流的發(fā)展，大水大沙有利于淤灘，小水小沙有利于刷槽，如此易形成較大的灘槽差，有利于岸灘的穩(wěn)定;反之，大水小沙，岸灘淤積較少，小水時(shí)來沙相對(duì)飽和，使得河槽的沖刷也較少，綜合作用下使得河床寬淺，不利于岸灘的穩(wěn)定，最終導(dǎo)致主流取直.即水沙過程的趨勢性變化是主流變化的根本原因，而斷面形態(tài)的變化則是直接原因.

通過統(tǒng)計(jì)1975—2002年荊江河段大埠街以下河道近70個(gè)斷面的平灘面積及寬深比，繪其平均值見圖8(上、下荊江計(jì)算水位分別在黃海高程44.3～41.4 m及30m以下).

圖8 斷面形態(tài)變化Fig.8 Correlation between sinuosity eigenvalue and configuration of cross-section

綜合河段主流彎曲特征數(shù)變化及前述水沙條件來看，三者有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，70年代中期至80年代中期汛期平均流量及洪峰變差系數(shù)較大，來水來沙過程較不均勻，年輸沙量較大，大水帶大沙、小水帶小沙的特征明顯，平灘面積增大，寬深比減小，主流坐彎;80年代中后期至90年代中期平均流量及洪峰變差系數(shù)較小，來水來沙過程較為均勻，年輸沙量較小，平灘面積減小，寬深比增大，主流取直.

3 結(jié)語

在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)測資料，提出了統(tǒng)一描述分汊段及單一彎道段主流曲直程度的彎曲特征數(shù)r.同時(shí)采取滑動(dòng)平均法統(tǒng)計(jì)了水庫蓄水前天然情況下荊江河段水沙條件的變化，總結(jié)出水沙條件的改變與河段主流位置變化呈現(xiàn)很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系:20世紀(jì)60年代及80年代中期，來水來沙較為集中，年輸沙量較大，彎曲特征數(shù)較大，主流坐彎;70年代初期及90年代中期，來水來沙年內(nèi)分配較為均勻，年輸沙量較小，使得汛淤枯沖的荊江河段灘槽高差降低，寬深比加大，從而河道制約水流作用較弱，主流易于取直.

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