山區(qū)河流河床結(jié)構(gòu)對推移質(zhì)輸沙率的影響

張 康，王兆印，劉 樂，余國安

山區(qū)河流河床結(jié)構(gòu)對推移質(zhì)輸沙率的影響

張 康1，王兆印1，劉 樂1，余國安2

(1. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

河床結(jié)構(gòu)是山區(qū)河流河床在洪水過程中達(dá)到較強(qiáng)阻力及較高河床穩(wěn)定性時(shí)床面大顆粒的組合，對山區(qū)河流的推移質(zhì)輸沙起重要影響．引入河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Sp對山區(qū)河流河床結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量化研究，使用河床結(jié)構(gòu)測量設(shè)備對河床強(qiáng)度進(jìn)行測量，采用類似于坑測法的子母雙槽進(jìn)行推移質(zhì)輸沙率實(shí)測，對云南小江流域的15條主要支流河床結(jié)構(gòu)及推移質(zhì)輸沙進(jìn)行野外實(shí)測，發(fā)現(xiàn)推移質(zhì)輸沙強(qiáng)度至少受單寬水流能量與河床結(jié)構(gòu)發(fā)育程度共同影響，在同等級水流能量條件下，河床結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度越高的河流(或河段)其推移質(zhì)輸沙強(qiáng)度越小，河床強(qiáng)度值越小的河流(或河段)推移質(zhì)輸沙強(qiáng)度越大．單寬水流能量小于50 kg/(m·s)、河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于0.35時(shí)，推移質(zhì)輸沙率接近零．

山區(qū)河流；河床結(jié)構(gòu)；推移質(zhì)輸沙率；水流能量；階梯-深潭系統(tǒng)

推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)一直是泥沙研究中的重點(diǎn)問題，過去的60年里研究者們采用半理論半經(jīng)驗(yàn)的模型對沖積型河流(沙質(zhì)河床)的推移質(zhì)輸沙問題進(jìn)行了較好的模擬，已廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，而對于山區(qū)河流(卵石河床)的推移質(zhì)問題卻很難得到準(zhǔn)確的模擬[1]．主要原因有：山區(qū)河流水文水流特性急變[2]，泥沙級配寬[3]，不同粒徑的顆粒相互影響，卵礫石的形狀及排列方式均會(huì)對推移質(zhì)泥沙輸運(yùn)產(chǎn)生影響[4]，河床結(jié)構(gòu)對水流及輸沙的影響劇烈[5-6]，且山區(qū)河流的推移質(zhì)輸沙的實(shí)測也存在很大的困難[7-8]，沖積型河流的推移質(zhì)采樣器往往應(yīng)用于山區(qū)河流時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差．因此山區(qū)河流的推移質(zhì)輸沙計(jì)算成為亟待解決的重要問題之一．

Parker[9]總結(jié)了常用的推移質(zhì)輸沙公式，引入了分級粒徑、遮蔽函數(shù)、底質(zhì)關(guān)系、活躍層、地形變量、輸沙修訂、局部輸沙、移動(dòng)粗化等概念來解釋．公式越來越多，形式越來越復(fù)雜．對于每一個(gè)山區(qū)河流，都需要調(diào)整系數(shù)或者改用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系．因此，現(xiàn)有的推移質(zhì)輸沙公式尚不能完全應(yīng)用于山區(qū)河流的實(shí)際計(jì)算，對于推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律也期待著進(jìn)行進(jìn)一步機(jī)理方面的研究．

野外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)推移質(zhì)輸沙率受水流條件、來沙條件和河床結(jié)構(gòu)發(fā)育程度等因素的共同制約[6]．推移質(zhì)輸沙和床面結(jié)構(gòu)作為消散水流能量的重要部分，共同對水流條件起作用，且存在著此消彼長的關(guān)系，然而，如何定量地研究河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度成為了研究的新難題．河床結(jié)構(gòu)是指在山區(qū)河流中一定水流作用下床面形成的一系列有規(guī)律排列的大小不同的泥沙顆粒組合，由于這種泥沙顆粒組合一般是在床面沖刷過程中發(fā)育形成的，通常具有較大的穩(wěn)定性．階梯-深潭系統(tǒng)是山區(qū)河流中最穩(wěn)定的河床結(jié)構(gòu)，因此受到許多學(xué)者的重視[10-11]．Wang等[12]提出了用無量綱參數(shù)Sp來描述階梯-深潭發(fā)育程度，從而體現(xiàn)了河床結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度，并進(jìn)一步采用了參數(shù)Sp來量化階梯-深潭系統(tǒng)的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[13]，其定義如圖1所示，Sp與的曲線長度與直線長度的比值有關(guān)，即

圖1 河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Fig.1 Definition of riverbed structure intensity

河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Sp反映了山區(qū)河流河床表面的阻力情況，對推移質(zhì)輸沙造成了很大影響．通過野外實(shí)測，對于同一河流、同一河段，當(dāng)水流功率不變時(shí)，推移質(zhì)輸沙率gb也會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)數(shù)量級的變化，而區(qū)別則在于其河床結(jié)構(gòu)的不同[6]．這一研究成果為推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的研究提供了新的思路，筆者通過不同時(shí)間在云南小江流域15條山區(qū)河流推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的野外實(shí)測，對河床結(jié)構(gòu)、水流能量及推移質(zhì)輸沙三者之間的關(guān)系進(jìn)行分析，探討河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對山區(qū)河流推移質(zhì)輸沙的影響．

1 研究區(qū)域及方法

1.1研究區(qū)域

在2008年汛期選擇了中國云南省小江流域的一級支流吊嘎河進(jìn)行推移質(zhì)輸沙率野外觀測，對吊嘎河自河口至源頭的6個(gè)斷面進(jìn)行測量(見圖2)，測量內(nèi)容包括推移質(zhì)輸沙率及水流功率．

圖2 吊嘎河各斷面分布位置Fig.2 Distribution of measurement cross section in Diaoga River

在2009年汛期選擇了中國云南小江流域的15條山區(qū)河流進(jìn)行觀測分析(見圖3)．測量內(nèi)容包括推移質(zhì)輸沙率、水流功率的有關(guān)水力參數(shù)以及河床結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)．

1.2推移質(zhì)輸沙率測量

山區(qū)河流中的推移質(zhì)輸沙率變化極大，對其進(jìn)行準(zhǔn)確測量仍是世界性難題[7]．目前坑測法仍公認(rèn)為是最準(zhǔn)確可靠的測量方法，但由于操作難度大、花費(fèi)高，也僅適用于小型山區(qū)河流[14]．文中為獲得較為準(zhǔn)確的推移質(zhì)輸沙率數(shù)據(jù)，采用子母槽坑測法(見圖4)進(jìn)行．將母槽埋入河床，頂部與床面平齊，再將子槽作為收集槽放入母槽，收集槽采用鋁合金框架構(gòu)成，內(nèi)框架尺寸為0.5,m×0.25,m×0.05,m，底部采用孔徑為0.4,mm的鋼絲篩網(wǎng)，間隔一定時(shí)間將子槽內(nèi)收集到的推移質(zhì)泥沙取出稱重，即得到相應(yīng)時(shí)段的推移質(zhì)輸沙率．

圖3 中國云南小江各支流測量及試驗(yàn)斷面Fig.3 Measurement and experiment sections on tributary streams of Xiaojiang River in Yunnan Province，China

圖4 子母槽坑測法推移質(zhì)采樣Fig.4 Double box sampler of bed load

1.3河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測量

河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Sp為無量綱數(shù)，其計(jì)算見式(2)[13].采用自制河床結(jié)構(gòu)測量排定量化測量Sp(見圖5)．該河床結(jié)構(gòu)測量排采用30根可自由上下活動(dòng)的測量鋼管進(jìn)行測量，鋼管間距0.05,m，測量時(shí)保持測量鋼管在同一個(gè)立面，并通過水平尺調(diào)整使測量鋼管與水平面垂直，利用拍照法記錄鋼管末端在背景布上投影的讀數(shù)，使河床結(jié)構(gòu)測量排沿河床表面連續(xù)移動(dòng)，即可根據(jù)記錄讀數(shù)計(jì)算河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為

式中：Ri為第i根測量桿末端在背景布上投影刻度的讀數(shù)；m為總讀數(shù)的個(gè)數(shù)，為方便比較，令m=300．

一般，河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Sp為大于0的無量綱數(shù)，其值越大，則河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大，反映河床上階梯-深潭系統(tǒng)越發(fā)育．對于平整床面，Sp接近于0；對于有沙壟或有單個(gè)階梯-深潭的床面，Sp＜0.1；階梯-深潭系統(tǒng)非常發(fā)育的山區(qū)河流，Sp可達(dá) 0.3以上．當(dāng)河床上沒有河床結(jié)構(gòu)時(shí)(即光滑床面)，Sp=0．

圖5 河床結(jié)構(gòu)測量Fig.5 Measurement for riverbed structure

1.4水流能量測量

式中：p為單寬水流能量，kg/(m·s)；γ為容重，

水流能量采用單寬河流功率，即kg/m3；q為單寬流量，m2/s；J為測量河段坡降．

2 山區(qū)河流推移質(zhì)輸沙率測量結(jié)果及分析

2.1吊嘎河推移質(zhì)輸沙率的時(shí)空變化

通過2008年汛期對吊嘎河推移質(zhì)輸沙率的實(shí)測，發(fā)現(xiàn)在同一河段、不同時(shí)期，流量變化在一個(gè)數(shù)量級的情況下，推移質(zhì)輸沙率能變化3～5個(gè)數(shù)量級．如圖6(b)中的C2斷面，8月13日～8月15日的推移質(zhì)輸沙率就比7月13日～7月14日高出106倍以上，而在此期間流量變化了1～10倍．由此反映出單寬推移質(zhì)輸沙率對水流條件變化十分敏感，因而有學(xué)者[15-16]提出采用流量與推移質(zhì)輸沙率建立一定的關(guān)系來計(jì)算預(yù)測推移質(zhì)輸沙率．當(dāng)然，對于同一條河流的不同斷面，各斷面流量與推移質(zhì)輸沙率關(guān)系也不盡相同，從吊嘎河實(shí)測結(jié)果來看，單寬推移質(zhì)輸沙率隨流量增加而快速增加，這與文獻(xiàn)[16]觀測結(jié)論相同．

同一時(shí)期吊嘎河的不同斷面推移質(zhì)輸沙率會(huì)出現(xiàn)巨大的波動(dòng)(見圖6(b))，吊嘎河從上游到下游單寬推移質(zhì)輸沙率有逐漸增大趨勢，盡管在一定程度上這與流量的沿程增加有關(guān)(見圖6(a))，但有時(shí)即使流量相差不大，單寬推移質(zhì)輸沙仍會(huì)出現(xiàn)10～10,000倍的變化，如圖6(a)中當(dāng)流量較小時(shí)(0.1～0.3,m3/s)，7月13日～7月14日的各斷面流量變化僅有2～4倍左右，單寬推移質(zhì)輸沙變化達(dá)到了120,000倍(C6/C2)．但在流量比較大的情況下(8月13日～8月15日流量1.0～1.8,m3/s)，單寬推移質(zhì)輸沙率變化不大，最大僅有2.7倍(C6/C1)．且位于下游河口附近的C6斷面，不論流量大小，其單寬推移質(zhì)輸沙率都比較高，單寬推移質(zhì)輸沙率變化也不大．因此，流量也不是決定推移質(zhì)輸沙的唯一因素，推移質(zhì)輸沙率的變化受到了其他非水流因素的影響．

圖6 吊嘎河流量和推移傳輸沙率Fig.6 Flow discharge and transport rate of bed load in Diaoga River

2.2河床結(jié)構(gòu)對推移質(zhì)輸沙率的影響

通過2008年在吊嘎河實(shí)測推移質(zhì)輸沙率時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，各斷面在水流條件相差不大的情況下，河床結(jié)構(gòu)有較大的差異．如圖6(b)中的C6斷面，經(jīng)2009年測量河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Sp在0.02～0.06間變化，而同時(shí)期C2斷面的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Sp=0.09～0.15，由此可見，C6斷面的河床床面遠(yuǎn)比C2斷面光滑平整，因此，C6斷面即使在流量較小的情況下單寬推移質(zhì)輸沙率都比較高，而C2斷面由于河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在不同量級的變化，實(shí)測單寬推移質(zhì)輸沙率變化也較劇烈．事實(shí)上，山區(qū)河流的推移質(zhì)輸沙在同一河流的不同支流，即使相隔很近的河流仍然會(huì)有很大的差異，例如小江流域深溝與大橋河渾水溝(見圖3)，相距不到20,km，在單寬水流能量相當(dāng)?shù)那闆r下，單寬推移質(zhì)輸沙率截然不同，渾水溝單寬推移質(zhì)輸沙率達(dá)到18.9,kg/(m·s)，而深溝的單寬推移質(zhì)輸沙率僅有0.002,kg/(m·s)，河床結(jié)構(gòu)也迥然不同，經(jīng)測深溝的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Sp達(dá)0.285，而渾水溝的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)Sp僅為0.04，自然地貌也出現(xiàn)極大的不同(見圖7).

圖7 不同河床結(jié)構(gòu)的山區(qū)河流Fig.7 Mountain streams with different riverbed structures

為進(jìn)一步研究河床結(jié)構(gòu)及水流條件對推移質(zhì)推沙率的影響，2009年汛期在小江流域?qū)?5條河流進(jìn)行了實(shí)測．在相同量級單寬水流能量強(qiáng)度的情況下分析單寬推移質(zhì)輸沙率與河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間關(guān)系，其結(jié)果如圖8所示．

圖8 不同水流能量條件下Sp與gb的關(guān)系Fig.8 Relations of Spand gbfor different stream powers

由圖8可以看出，在同等單寬水流能量條件下，河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Sp越大，單寬推移質(zhì)推沙率越小；且單寬推移質(zhì)輸沙率對河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化十分敏感，呈指數(shù)下降趨勢，河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在增大數(shù)倍的情況下，單寬推移質(zhì)輸沙率可以減少數(shù)10倍甚至100,000倍以上．此外，當(dāng)單寬水流能量小于50,kg/ (m·s)、河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于0.35時(shí)，推移質(zhì)輸沙率接近零．

3 山區(qū)河流推移質(zhì)推沙率的規(guī)律探討

山區(qū)河流的推移質(zhì)輸沙率受河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及水流能量的共同作用，床面的阻力對推移質(zhì)輸沙起抑制作用，以往的研究[17]對于山區(qū)河流推移質(zhì)輸沙大多注意的是粗化層的變化，或床面糙率的變化，更多的是將這種粗化層作為床面形態(tài)來進(jìn)行分析．而山區(qū)河流中出現(xiàn)的階梯-深潭等河床結(jié)構(gòu)常常是由幾塊大的卵石或漂石相互咬合緊密連接構(gòu)成，比單塊無規(guī)則排列的漂石、卵石有著更強(qiáng)的抗沖刷能力，其改變的不僅僅是河床表面的糙率，階梯-深潭通過挑流、跌水等形式極大地消耗了水流能量，是山區(qū)河流中強(qiáng)度最高、穩(wěn)定性最好的河床結(jié)構(gòu)形式，與此同時(shí)也改變了推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)．

河床結(jié)構(gòu)一般是在洪水過程中形成，洪水消退后逐漸掏刷帶走細(xì)顆粒泥沙，使河床結(jié)構(gòu)完全顯現(xiàn)出來．河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度反映了水流條件、上游來沙及推移質(zhì)推沙率之間的平衡關(guān)系，當(dāng)上游來沙為零時(shí)，河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度僅與水流條件和推移質(zhì)推沙率有關(guān)，而此時(shí)的河床結(jié)構(gòu)是在前期洪水中形成，當(dāng)水流能量小于洪水能量時(shí)，河床結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，推移質(zhì)推沙率逐漸減弱，直到降低為零．反之，當(dāng)水流能量超過形成河床結(jié)構(gòu)的水流強(qiáng)度時(shí)，河床結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致推移質(zhì)輸沙率增強(qiáng)，直到河床結(jié)構(gòu)重新調(diào)整至最大，推移質(zhì)便再次減弱．如深溝和階梯-深潭系統(tǒng)發(fā)育的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大，經(jīng)測Sp大于0.35、輸沙率為0．當(dāng)單寬水流能量增加時(shí)，由于其河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大，階梯-深潭系統(tǒng)基本維持不變，使得推移質(zhì)輸沙率仍然很?。鴮τ诔Ｄ贻斏齿^強(qiáng)的山區(qū)河流，如蔣家溝、大白泥溝、小白泥溝等，由于上游來沙較強(qiáng)，河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，Sp不到0.1，單寬推移質(zhì)輸沙率在3,kg/(m·s)以上．由于這些溝道常發(fā)生泥石流，極大地破壞了河床結(jié)構(gòu)，使得河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低，推移質(zhì)輸沙率輸沙極強(qiáng)．

單寬推移質(zhì)輸沙率對單寬水流能量和河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化十分敏感，盡管單寬推移質(zhì)輸沙率及河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對單寬水流能量定量關(guān)系尚不明確，但推移質(zhì)輸沙率與水流能量的比值gb/p，似乎可以表述為無量綱數(shù)Sp的某一函數(shù)(見圖9)．

圖9 gb/p與Sp的關(guān)系Fig.9 Relation of gb/p and Sp

圖9 中，gb/p與Sp在半對數(shù)坐標(biāo)下呈反比趨勢，但仍有幾個(gè)數(shù)量級的誤差，反映出單寬推移質(zhì)輸沙率的變化十分靈敏，具有很大的隨機(jī)性．這種隨機(jī)性一方面由于單寬水流能量是一個(gè)變化的過程，洪水季節(jié)山區(qū)河流流量變化較為劇烈，且河床演變過程中的沖刷下切及河道的變化都會(huì)引起水流能量的波動(dòng)；另一方面河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，對于某一給定斷面由于上游來沙的變化會(huì)影響下游河床結(jié)構(gòu)的沖淤，以及水流強(qiáng)度的變化都會(huì)造成河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化，而單寬推移質(zhì)輸沙率對這二者反應(yīng)又十分靈敏，在動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中難免出現(xiàn)劇烈變化，對于此動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中的變化誤差還需進(jìn)一步深入研究．

4 結(jié) 語

通過15條山區(qū)河流不同時(shí)期的推移質(zhì)輸沙率實(shí)測，發(fā)現(xiàn)山區(qū)河流中單寬推移質(zhì)輸沙率受單寬水流能量與河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作用十分明顯，單寬水流能量的增加能使單寬推移質(zhì)輸沙率迅速提高，在同等級單寬水流能量條件下，河床結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度越高(Sp越大)的河流(或河段)其推移質(zhì)輸沙強(qiáng)度越小，Sp越小的河流(或河段)推移質(zhì)輸沙強(qiáng)度越大．當(dāng)單寬水流能量小于50,kg/(m·s)、河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于0.35時(shí)，推移質(zhì)輸沙率接近零．

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Effects of Riverbed Structure on Transport Rate of Bed Load in Mountain Streams

ZHANG Kang1，WANG Zhao-yin1，LIU Le1，YU Guo-an2
(1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2. Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)

Riverbed structures, which affect bed load transportation in mountain streams, are structures of boulders and cobbles on mountain streambed rearranged by flood flow to reach high resistance and high bed stability. A parameter Spwas introduced to describe the intensity of a riverbed structure. A specially designed instrument was used to measure the riverbed structure intensity, and a double-box bed load sampler was used to measure the transport rate of bed load. Field measurements on the bed load transportation, riverbed structure and hydraulic features were conducted in 15 tributaries of Xiaojiang River in the upper Yangtze River Basin in China. It has been found that the transport rate of bed load is affected by both the unit stream power and riverbed structure. In rivers or reaches with a similar unit stream power, the higher the riverbed structure intensity (the bigger the Sp), the lower the transport intensity of bed load, while the smaller the Sp, the higher the transport intensity of bed load. When the unit stream power is less than 50 kg/(m·s) and Splarger than 0.35, the transport rate of bed load would be 0.

mountain stream；riverbed structure；transport rate of bed load；stream power；step-pool system

TV142.2

A

0493-2137(2012)03-0202-07

2011-06-29；

2011-11-09.

優(yōu)秀國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金資助項(xiàng)目(41071001)；清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主選題資助項(xiàng)目(2009-ZY-Z)．

張 康（1981— ），男，博士研究生，zhangkang01@gmail.com.

王兆印，zywang@tsinghua.edu.cn.