監(jiān)利水文站沙質(zhì)推移質(zhì)變化特性及估算方法

唐劍 謝靜紅 單文輝 劉天勇

摘要：為了探求沙質(zhì)推移質(zhì)在監(jiān)利水文站斷面輸沙量占比變化與運(yùn)動規(guī)律，對2009～2019年監(jiān)利水文站的沙質(zhì)推移質(zhì)與懸移質(zhì)輸沙量進(jìn)行分析，并給出了監(jiān)利水文站沙質(zhì)推移質(zhì)的計(jì)算公式。結(jié)果表明：①監(jiān)利水文站所在河段目前處于沖刷初期，沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量同頻變化。②用沙質(zhì)推移質(zhì)與流量建立指數(shù)公式是目前計(jì)算推移質(zhì)輸沙量最簡便合理的方法。③長江中游沖積河段監(jiān)利水文站沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量占懸移質(zhì)輸沙量的比例為4.0%～8.5%，均值為5.8%，這與上游160 km的沙市水文站（3.1%～12.4%，均值為6.2%）相似。

關(guān)鍵詞：沙質(zhì)推移質(zhì);懸移質(zhì);輸沙量;監(jiān)利水文站

中圖法分類號：TV142.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.004

文章編號：1006 - 0081（2021）04 - 0025- 04

1 研究背景

河流泥沙輸沙量應(yīng)為懸移質(zhì)輸沙量與推移質(zhì)輸沙量之和。目前，我國懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)手段與計(jì)算方法較為成熟，但是推移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)存在測驗(yàn)儀器不完善、測驗(yàn)方法不成熟等問題。同時(shí)，推移質(zhì)運(yùn)動形式極為復(fù)雜，其泥沙脈動現(xiàn)象遠(yuǎn)比懸移質(zhì)大得多。在監(jiān)利河段，一次沙質(zhì)推移質(zhì)測驗(yàn)時(shí)間至少歷時(shí)4 h，勞動強(qiáng)度大。目前推移質(zhì)輸沙率的施測方法雖然很多，但都存在不少問題，所以許多河流至今仍然缺少實(shí)測推移質(zhì)沙量資料。同時(shí)，在懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)中， 由于受采樣器的限制，實(shí)測臨底懸沙資料亦未可知。因此，以往在水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中計(jì)算總輸沙量時(shí)，不僅未考慮臨底懸沙，而且對推移質(zhì)輸沙量也予以忽略，或者采用一個固定的“推懸比”進(jìn)行粗略估算。本文通過對監(jiān)利水文站推移質(zhì)測驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探求沙質(zhì)推移質(zhì)在監(jiān)利水文斷面運(yùn)動特性，為三峽水庫蓄水后長江中下游河道推移質(zhì)變化研究提供科學(xué)依據(jù)。

2 基本情況

2.1 研究區(qū)概況

監(jiān)利水文站位于東經(jīng)112°38′，北緯29°42′，于1950年設(shè)立，1970年下遷至湖南省華容縣洪山頭鎮(zhèn)，1975年遷回監(jiān)利，1996年水位觀測站遷往監(jiān)利縣城南，2010年遷往監(jiān)利縣鄢鋪汽渡碼頭上游約1 300 m，站名更改為監(jiān)利（二）站。監(jiān)利水文站斷面下游約95 km為洞庭湖與長江交匯處，使監(jiān)利站水位-流量關(guān)系受回水頂托影響明顯。監(jiān)利河段受長江上游來水以及洞庭湖回水頂托的綜合影響，河道斷面變化較為頻繁。監(jiān)利水文站測驗(yàn)河段平面圖如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要采用監(jiān)利水文站沙質(zhì)推移質(zhì)資料進(jìn)行分析，沙市、枝城水文站推移質(zhì)資料作為補(bǔ)充。推移質(zhì)應(yīng)包括沙質(zhì)推移質(zhì)和卵石推移質(zhì)，沙市水文站和監(jiān)利水文站2009～2019年均未施測到卵石推移質(zhì)，本文所描述的沙質(zhì)推移質(zhì)為粒徑小于2 mm的沙質(zhì)推移質(zhì)。流量測驗(yàn)采用ADCP走航測驗(yàn)，沙質(zhì)推移質(zhì)采用Y78-1型采樣器測驗(yàn)。

3 荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量變化

表 1為枝城、沙市、監(jiān)利3個水文站的沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表1可以看出：三峽水庫蓄水以來，由于“清水”下泄，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)基本呈逐年減小趨勢。從各站年變幅來看，枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)變幅最大，沙市其次，監(jiān)利最小;從沿程變化來看，枝城至監(jiān)利河段推移量沿程增加。同時(shí)，有關(guān)研究資料顯示：荊江河段的懸移質(zhì)輸沙量持續(xù)減少，也進(jìn)一步表明，沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量密切相關(guān)，符合推移質(zhì)運(yùn)動規(guī)律，推移質(zhì)與懸移質(zhì)可相互轉(zhuǎn)化。就同一粒徑組來說，在較弱的水流條件下表現(xiàn)為推移質(zhì)，在較強(qiáng)的水流條件下表現(xiàn)為懸移質(zhì)。清水下泄，懸移質(zhì)來沙量急劇減少，推移質(zhì)來沙量同樣減少，在枝城站表現(xiàn)明顯。沙市至監(jiān)利河段，推移質(zhì)變化不及枝城站變化劇烈。在懸移質(zhì)補(bǔ)償不及的情況下，勢必沖刷河床。朱玲玲等[1]研究表明：三峽工程運(yùn)用使荊江河段水量過程重分配，沙量在區(qū)域上及過程上的重分配，從而激發(fā)其河床的高強(qiáng)度沖刷響應(yīng)，其中既有枯水位下降、斷面窄深化、床沙粗化等常規(guī)響應(yīng)，也有上荊江分汊河段“支汊沖刷發(fā)展”、下荊江急彎河段“凸沖凹淤”等異常響應(yīng)。

1998～2019年，監(jiān)利水文站徑流量和懸移質(zhì)輸沙量呈遞減趨勢。1998年徑流量為4 413億m3，2016年減小到3 853億m3，2006年徑流量最小，為2 718億m3。懸移質(zhì)輸沙量1998年為40 700萬t，最小值出現(xiàn)在2016年，為3 290萬t。2003年之前，徑流量與懸移質(zhì)輸沙量呈同規(guī)律變化。但2003～2011年徑流量與懸移質(zhì)輸沙量只在極少數(shù)年份呈相同的變化趨勢。2011～2016年，徑流量與懸移質(zhì)輸沙量變化規(guī)律大致相同，但懸移質(zhì)輸沙量變化幅度明顯減小。

監(jiān)利水文站目前處于沖刷初期，沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量密切相關(guān)。圖2為2009～2019年懸移質(zhì)輸沙量與沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量過程，除2011年外，懸移質(zhì)輸沙量與沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量同步變化。

4 沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率相關(guān)水力因素分析

20世紀(jì)30年代，Mavis等基于實(shí)測資料，用近底流速 Vb 來表示推移質(zhì)輸沙率要優(yōu)于用切應(yīng)力，這是因?yàn)榻琢魉俑芊从匙饔糜陬w粒的水流條件。 Williams也曾通過試驗(yàn)得出水面流速Vs與輸沙率的相關(guān)性要好于平均流速V。但由于Vb、Vs在量測上的困難及定義上的不準(zhǔn)確性，使得這兩個流速類指標(biāo)在推移質(zhì)輸沙率的研究中未能得到廣泛應(yīng)用。然而在實(shí)際問題中，用得更多的是平均流速 V，存在水深校正問題。研究發(fā)現(xiàn)，對于固定的平均流速 V，當(dāng)水深較小時(shí)輸沙強(qiáng)度大，而當(dāng)水深較大時(shí)輸沙強(qiáng)度小[2]。這可以解釋為當(dāng)水深較小時(shí)，近底流速及流速梯度增大，從而輸沙率增加。國內(nèi)外學(xué)者在研究推移質(zhì)輸沙率時(shí)，大多采用平均流速V作為指標(biāo)。事實(shí)上，佛汝德數(shù)也是經(jīng)一定水深h校正的水流強(qiáng)度指標(biāo)：

Fr =Vgh

采用與河底流速建立指數(shù)公式對枝城水文站2003～2007年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率進(jìn)行擬合推求，采用與流量建立指數(shù)公式對2008～2017年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率進(jìn)行擬合推求。采用與河底流速建立指數(shù)公式對沙市水文站2003～2009 年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率進(jìn)行擬合推求，采用與流量建立指數(shù)公式對2010～2017 年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率進(jìn)行擬合推求。監(jiān)利水文站 2009～2017 年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率均采用與流量建立指數(shù)公式進(jìn)行擬合推求?？傮w來看，3個水文站的沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率隨著流量（或流速）的增大而增大。多年實(shí)測資料證明：河底流速雖然與推移質(zhì)強(qiáng)度相關(guān)，但測驗(yàn)難度較大，轉(zhuǎn)子式流速儀貼近河底施測難度大，ADCP走航式在底部施測存在盲區(qū)，也無法施測河底流速。流速脈動河底亦大于水面，所以，從目前水文測驗(yàn)手段來說，獲取河底流速難度較大。于是，考慮采用流量代表平均流速，當(dāng)沙質(zhì)推移質(zhì)與逐日流量建立關(guān)系后，可獲取逐日沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率，即通過較少的測驗(yàn)次數(shù)獲取沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量。圖3為2009～2019年監(jiān)利水文站沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率與流量的關(guān)系，表達(dá)公式為

Qb=1.594 149×10-9×Q2.609 19

式中：Qb為沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率，Q為流量。

由于監(jiān)利水文站受洞庭湖回水頂托影響明顯，會出現(xiàn)大流量時(shí)水位高，斷面平均流速小，沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量少的異常情況，因此采用沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率與流量建立關(guān)系的方法在受回水影響時(shí)存在缺陷。

5 沙質(zhì)推移質(zhì)占比分析

通過上述分析，沙質(zhì)推移質(zhì)運(yùn)動機(jī)理復(fù)雜，監(jiān)測困難，單次測驗(yàn)誤差大，考慮通過一種估算方法，計(jì)算沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量，為研究河流推移質(zhì)變化提供科學(xué)依據(jù)。通過實(shí)測沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量比值資料來預(yù)估沙質(zhì)推移質(zhì)量，也是一種經(jīng)常采用的方法[3]。表2～3列出了沙市、監(jiān)利水文站沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量比值。

根據(jù)國內(nèi)外一些大流域的水沙數(shù)據(jù)，不管流域產(chǎn)沙條件與河流水力輸沙特性如何，推移質(zhì)輸沙量一律按懸移質(zhì)輸沙量10%計(jì)算（即總輸沙量與實(shí)測懸移質(zhì)輸沙量的比值α為1.10 ）。在一般情況下，流域面積愈大，相對的干流坡度愈小，干流河道愈長，泥沙經(jīng)過長距離輸送并且不斷分選造床，所以河床質(zhì)中值粒徑愈小。因此，在一般情況下，流域面積愈小，α值愈大;流域面積愈大，α值愈小。監(jiān)利、沙市水文站所在流域面積較大，經(jīng)計(jì)算，監(jiān)利、沙市水文站總輸沙量與實(shí)測懸移質(zhì)輸沙量的比值α均為1.06。監(jiān)利水文站沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量占懸移質(zhì)輸沙量的比例為4.0%～8.5%，均值為5.8%，沙市水文站沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量占懸移質(zhì)輸沙量的比例為3.1%～12.4%，均值為6.2%。胡立等[4]認(rèn)為螺山水文站沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量占懸移質(zhì)輸沙量的比例為1%～4%。沙市、監(jiān)利河段沙質(zhì)推移質(zhì)占比明顯大于下游螺山水文站，顯然不能忽略沙質(zhì)推移質(zhì)。圖4為監(jiān)利、沙市水文站沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量占懸移質(zhì)輸沙量比例，趨勢基本一致，2011年兩站推移質(zhì)占比均偏大。

6 結(jié) 論

利用2009～2019 年實(shí)測資料對監(jiān)利水文站沙質(zhì)推移質(zhì)變化特性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）三峽工程運(yùn)用后，引起了壩下游荊江河段水量過程重分配，沙量在區(qū)域及過程上也發(fā)生重分配，從而引起其河床高強(qiáng)度沖刷響應(yīng)，監(jiān)利河段目前處于沖刷初期，沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量同頻變化。

（2）沙質(zhì)推移質(zhì)與流速相關(guān)性較強(qiáng)，采用沙質(zhì)推移質(zhì)與流量建立指數(shù)公式進(jìn)行擬合推求，計(jì)算推移質(zhì)輸沙量是目前較為簡便合理的方法。

（3）就沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量占懸移質(zhì)輸沙量的比例而言，長江中游沖積河段監(jiān)利水文站為4.0%～8.5%，均值為5.8%;沙市水文站為3.1%～12.4%，均值為6.2%。

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（編輯：江 文）

Variation and calculation method of sandy bed load at

Jianli hydrological station

TANG Jian， XIE Jinghong，? Shan Wenhui， Liu Tianyong

（Jingjiang Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission， Jingzhou 433400， China）

Abstract： In order to explore proportion variation and transport laws of sandy bed load at Jianli hydrological station，we analyzed sediment runoff of sandy bed load and suspended load at the Jianli hydrological cross-section from 2009 to 2019 and proposed a calculation formula of sandy bed load. The results suggested that： ① At present， river bed at Jianli hydrological station was in the early stage of scouring， and transport runoff of sandy bed load synchronized with suspended load. ②The exponential formula that displayed relationship between bed load transport rate and flow could be used to estimate sandy bed load reasonably and easily. ③Sediment runoff of sandy bed load accounted for 4.0% ～ 8.5%（an average of 5.8%）of suspended load at Jianli station， which was similarly to Shashi station （3.1% ～ 12.4% and an average of 6.2%） that was about 160km upstream.

Key words： sandy bed load; suspended load; sediment discharge; Jianli hydrological station