第41卷第4期2008年8月武汉大学学报(工学版)Eng ineer ing Jour nal of W uhan U niversity Vo l.41N o.4A ug.2008收稿日期:2007 12 29作者简介:江 凌(1981 ),女,湖北武汉人,博士研究生,主要从事水力学及河流动力学方面的研究.基金项目:国家自然科学基金项目(编号:50609018).文章编号:1671 8844(2008)04 0010 04荆江微弯分汊浅滩的水沙输移及河床演变江 凌1,2,李义天1,葛 华1,孙昭华1(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉 430072;2.长江航道规划设计研究院,湖北武汉 430011)摘要:沙市河段为长江中游典型长顺直微弯分汊河段,河床演变复杂.对该河段水流变化规律、河床冲淤模式进行了分析,探讨了来水来沙及河床形态对河道水沙输移的影响.河床冲淤由来水量、来沙量和河床形态共同决定,但河床形态与流量过程在更大程度上影响着河床冲淤特性,放宽段河床冲刷深度与单宽流量变化率之间较好的相关性便体现了这一点.考虑来流及河床形态的决定性作用,对该河段的主流摆动特性进行了分析,认为汊道兴衰交替是河床演变的主要特性.关键词:河床形态;河床冲淤;水沙输移;河床演变中图分类号:T V 147 文献标志码:ADischarge and sediment transporting and riverbed evolution in slightly curved and multi branched river reach in Jingjiang reachJIANG Ling1,2,LI Yitian 1,GE H ua 1,SU N Zhaohua1(1.State Key L abo rato ry o f Water Resources and H ydropow er Eng ineer ing Science,Wuhan U niv ersity ,Wuhan 430072,China; 2.Yangt ze River Channel Planning and D esign Inst itute,Wuhan 430011,China)Abstract:T he Shashi r each is a slig htly curved and m ulti branched river reach with centr al bars in the middle reach of the Yang tze River ,w here the channel evolution is very complicated.T his article analyzes the change char acteristics of the water flow ,the channel scouring/silting mo de and the influence of the incoming w ater &sediment and channel form on w ater &sediment transporting in the reach.The chan nel scouring/silting is determ ined by incom ing w ater,incom ing sedim ent and channel fo rm;but the in fluence of the channel fo rm and the incom ing w ater process is more sig nificant,w hich also can be show n by the clo se relationship betw een the discharg e variation r ate and the scouring depth in widening reach.Based on these,the shift characteristics of the main flow in the reach are analyzed;it is found that the rise and decline of branches is the natur e of the riverbed evolutio n in the Shashi reach.Key words:channel morpholog y;scouring and silting ;dischar ge and sediment transporting ;riv er bed ev olution沙市河段位于三峡大坝下游的上荆江河段,分别与上游涴市河弯和下游金城洲弯道衔接.洲滩、河槽的河床组成为中细砂,易受来水来沙条件变化的影响,河道演变剧烈,为长江中游航道治理的重点研究对象.现有涉及该河段的研究主要从河势变化特点[1~3]、洲滩演变机理[4]出发探讨河道演变的发展,由于对影响因素的认识不足,演变趋势的预估尚存在分歧.作者前期曾基于河道水力输沙特性第4期江 凌,等:荆江微弯分汊浅滩的水沙输移及河床演变的决定性作用,结合三峡建库后水沙条件的变化,对河道的演变趋势进行了分析[5],但未涉及河道水力输沙特性的影响因素问题.本文通过深入分析河道的水流变化规律、河床冲淤特性,探讨来水来沙及河床形态对河道水沙输移的影响模式,初步揭示河道水沙输移机理及主要控制因素,并在此基础上明确河道演变的基本规律.1 沙市河段的形态特征沙市河段上起陈家湾、下至玉和坪,长约22km(图1).洲滩消长与河宽变化密切相关,不同时期该河段平滩河宽(沙市流量27000m 3/s)的变化见图2.杨林矶(荆39~荆41)以上河道逐渐展宽,往下受左岸观音矶控制,河道迅速缩窄.20世纪50年代至60年代末,左岸大幅度崩退,右岸腊林洲边滩向下、向河心淤长,最终被切割形成心滩,1956~1976年间,杨林矶附近河宽明显增大.由于历史护岸工程的积累,70年代以来,河段的外部轮廓相对稳定.河道内洲滩变化剧烈,腊林洲边滩下部不断淤高、展宽且下移,致使筲箕子至荆41断面河宽减小,筲箕子附近成为相对稳定的缩窄段,有利于上段心滩的发育;而筲箕子以下河道空间压缩,心滩发展受到制约,不断受冲后退[5].图1 沙市河段河势及固定观测断面布置示意图2 河床冲淤过程的机理分析2.1 水力因素的沿程变化河道水流沿程输移过程中,受河床边界条件影响,水力因素发生变化.长期以来,尽管沙市河段河宽有所变化,但河道进口的展宽率及出口的缩窄率变化较小(图2),因此,水力因素沿程随河宽的变化表现出一定的规律性(图3~6).图2 不同时期平滩河宽的变化杨林矶以上放宽段(图3、4),以流量1.5与2.0万m 3/s 为界,水流沿程变化的规律相反.表1为放宽段纵比降的年内变化情况,可以看出,高水图3 流量在2.0万m 3/s 以上时展宽段流速沿程变化比降小于低水比降.因此,流量较大时,比降较小,流速沿程减小;流量较小时,水流归槽,受洲滩形态边界的影响,流速沿程增大.且从图3和4可以看出,流量愈大,流速减小率愈大.缩窄段纵比降的年内变化与放宽段相反,其年内水流输移特性也不同(图5、6):中高水时期,流速随河宽的减小而沿程增大;流量较小时,虽然因沿程断面的实测资料有限,流速沿河宽的分布有些散乱,但基本上也表现出流速随河宽减小而沿程减11武汉大学学报(工学版)第41卷图4 流量在1.5万m 3/s以下时展宽段流速沿程变化图5 流量在2.0万m 3/s 以上时缩窄段流速沿程变化图6 流量在1.5万m 3/s 以下时缩窄段流速沿程变化表1 放宽段纵比降年内变化施测日期流量/(m 3 s -1)1~2号断面间比降/ 左侧右侧1999 04 1241700.6430.6041999 07 15289000.2780.3351999 11 05131000.4110.3762000 02 2249200.5830.5252000 11 2382100.5020.3882001 02 1847800.4880.4572001 08 01183000.3240.3042001 11 07128000.4190.3692002 01 1247100.6110.443小的趋势.以上水力因素的变化特征也可从典型断面过水面积(A )随来流量(Q )变化的情况看出,如图7,断面位置如图1.当流量在2万m 3/s 以上,同流量下2号断面的过水面积大于进、出口段,即流速较小;当流量较小时,同流量下2号断面的过水面积小于进、出口段,即流速相对较大.表2列出了各断面A 与Q 的关系,可以看到断面形态特征决定了河道水力因素随流量的变化.图7 典型断面过水面积随流量的变化情况表2 典型断面A =aQb 关系中各参数的值入口段2号断面荆45断面a173.6810.068130.56b 0.43670.73530.4602相关系数R0.90320.93770.9148断面形态深槽偏左的V 形W 形深槽偏左的V 形综合以上分析,河床形态及来流量共同决定了河道水力因素的变化特性.2.2 典型断面实测冲淤分析因水流挟沙能力与流速成正比,河床冲淤势必会受到上述水流输移特性的影响.图8~10分别列出了位于进口过渡段、开阔段、出口缩窄段的3个典型断面的平均高程年内变化及月平均流量过程.从图8~10可以看到,放宽段河床 涨淤落冲!,而缩窄段河床则 涨冲落淤!,且流量在1.5~ 2.0万m 3/s 为冲淤转折点.对比流量的变化过程可以看出,河床年内冲淤过程与河段水流的年内周期性变化相对应.图8 进口过渡段的荆33断面年内平均高程变化12第4期江 凌,等:荆江微弯分汊浅滩的水沙输移及河床演变图9 开阔段的荆40断面年内平均高程变化图10 出口缩窄段的沙6断面年内平均高程变化2.3 河床冲淤过程机理分析当流量大于2.0万m 3/s 时,放宽段流速沿程减小,挟沙能力沿程降低,无法输移汛期上游的大量来沙,泥沙便在开阔段落淤;缩窄段流速沿程增大,加上来沙在上段的落淤,水流在缩窄段的挟沙能力较强,使河床发生冲刷.当流量小于1.5万m 3/s 时,放宽段流速沿程增大,挟沙能力增大,能输送上游来流携带的沙量,但由于缩窄段流速沿程减小且上游冲刷使来沙量相对较大,泥沙易在此落淤.可见,河床年内、沿程的冲淤交替与河道的水力特性密切相关.同一流量在不同的断面条件下对河床的作用程度不同,如图8~10所示.断面冲淤幅度:双分汊的荆40断面>荆33单一断面>窄深的沙6断面.对沙市河段而言,泥沙粒径特征沿程变化不大,河床形态决定了河段输沙能力随流量的变化,也就是说水流的输沙能力最终由河床形态及来流量共同决定.此外,冲积河流的输沙率与流量的多次方成正比,来沙过程与来水过程基本相应.因此,河道冲淤特性在较大程度上取决于河床形态与来流过程的变化.图11点绘了放宽段典型断面冲刷深度与单宽流量退落率的关系.虽然由于各断面形态的不同,两因素的相关性在不同断面有一定差异,但总体上表明了落水过程中河床的冲刷深度与流量退落率密切相关.图11 落水过程断面平均冲深与单宽流量变化率的关系2003年6月以后,河段来沙因三峡水库蓄水而大量减少,但从图12可以看到,2003~2005年期间,放宽段河床 涨淤落冲!的特性未变.这也说明了在河床形态与来流变化不大的情况下,一定的来沙变化范围内河床能保持其冲淤特性基本不变.图12 2002~2005年放宽段冲淤过程图3 河床演变规律探讨上荆江左岸的荆江大堤护岸工程始于1465年,至1788年发展为较大规模,限制了河道的横向变形,沙市河弯的平面外形相对稳定,河弯的弯曲半径R *为7100m [6].沙市河段的三八滩分汊段位于该弯道的进口,根据2001~2005年共计11个测次的实测地形图,该段左、右汊深泓的平均弯曲半径分别为5890、4194m.张植堂研究荆江5个河弯(沙市、冲和观、碾子湾、调弦、来家铺)的水流动力轴线弯曲半径(R 0,m)得出以下关系[7]:R 0=0.053R *[Q 2/(gA )]0.348(1) 式(1)对长江荆江河段来说具有较好的代表性.将式(1)和表1中开阔段(2号)过水面积与流量的关系结合,粗略估算多年平均流量为12583、(下转第19页)13第4期王党伟,等:冲积河流河岸冲刷展宽的力学机理及模拟analy sis o f river channel pr ocesses w ith bank ero sion[J].A SCE,Jour nal o f H y dr aulic Eng ineering,2000,126(4):243 252.[6] A SCE task co mmittee o n hydraulic,bank mechanics,and modeling of riverbank w idth adjustment.Riv erw idt h adjustment∀:P ro cesses and mechanisms[J].A SCE,Journal o f H ydraulic Eng ineer ing,1998,124(9):881 902.[7] A SCE task co mmittee o n hydraulic,bank mechanics,and modeling of riverbank w idth adjustment.Riv erw idt h adjustment II:modeling[J].A SCE,Journal ofH ydraulic Eng ineer ing,1998,124(9):903 918.[8] 王新宏.冲积河道纵向冲淤和横向变形数值模拟研究及应用[D].西安:西安理工大学,2000.[9] 夏军强.河岸冲刷机理研究及数值模拟[D].北京:清华大学,2002.[10]张瑞瑾.河流泥沙动力学[M].北京:中国水利水电出版社,1998:73 76,57 60.[11]张兰丁.粘性泥沙起动流速的探讨[J].水动力学研究与进展,2000,15(1):82 87.[12]V an Rijn L C.Sediment t ranspo rt,part I:bed loadtr ansport[J].ASCE,Jo ur nal o f H ydraulic Engineering,1984,110(10):1431 1455.[13]洪大林.粘性原状土冲刷特性研究[D].南京:河海大学,2005:55 66.[14]唐存本.泥沙起动规律[J].水利学报,1963,(2):112.[15]张英华.土力学[M].北京:高等教育出版社,1987:111 116.[16]Ikeda S,Par ker G,K imura Y.Stable w idth anddepth o f str aight gr avel r iver s w ith hetero geneous bed mater ials[J].Water Resources Research,1988,24(9):713 722.[17]Pizzut o J E.Numerica l simulation of g ravel riv erw idening[J].Water Reso ur ces Resear ch,1990,26(9):1971 1980.[18]金腊华,王南海,傅琼华.长江马湖堤崩岸形态及影响因素的初步分析[J].泥沙研究,1998,(2):67 71. [19]Dar by S E,T horne C R.N umer ical simulatio n ofw idening and bed defo rmat ion of straight sand bed r iver s I:mo del dev elopment[J].A SCE,Journal ofH ydraulic Eng ineering,1996,122(4):184 193.[20]Duan J G,Wang S Y.T he applicat ions of the enchanced CCHE2D model to study the alluvial channel migr ation pro cesses[J].Journal o f H ydraulic Research,2001,39(5):469 780.[21]Ikeda S,Par ker G,Saw ai K.Bend t heo ry of riv ermeander s,Par t I:linear develo pment[J].Jo ur nal ofF luid M echanics,1981,112:363 377.[22]Dar by S E,Simon A.Incised R iver Channels:Pr ocesses,Fo rms,Engineering and M anag ement[M].Jo hn W iley and Sons,1999:111 119.[23]F ukuoka Sho ji.自然堤岸冲蚀过程的机理[J].赵渭军译.水利水电快报,1996,(2):29 33.(上接第13页)15000、2000m3/s的沙市河段该处水流动力轴线的弯曲半径分别为4852、5242、5950m.由于式(1)反映的是整个弯道内水流动力轴线弯曲半径变化的平均情况,深泓弯曲半径与不同流量级下水流动力轴线弯曲半径之间的差异能定性上反映平均情况下主流年内的摆动情况:中、高水时主流偏左,低水时右汊过流会增加.结合放宽段河床涨淤落冲!的特性,流量大于2.0万m3/s时右汊进口位于缓流区,泥沙易在此落淤,而流量较小时主流右摆,又会使右汊进口得到冲刷.但是,小流量时水流归槽常受到滩体形态边界的制约.因此,上世纪80年代以前,三八滩滩头高大且位置较上时,右汊多数年份为支汊;而90年代,三八滩滩头逐渐退缩且低平,出现南、北汊互相争流的局面.从水流和河床的相互作用来看,水流有走左汊之势,但右汊在一定条件下也能发展,汊道兴衰交替是该段河道演变的基本特征.参考文献:[1] 张修桂.近代长江中游河道演变及其整治[J].复旦学报,1994,(6):55 61.[2] 熊治平.上荆江河床演变规律探讨[J].泥沙研究,1996,(2):39 44.[3] 王维国,阳华芳.近期长江荆江河道演变特点[J].人民长江,2003,(11):19 21.[4] 彭严波,段光磊.长江荆江河段沙市三八滩演变机理分析[J].人民长江,2006,(9):82 83.[5] 江 凌,李义天,张为.长江中游沙市河段演变趋势分析[J].泥沙研究,2006,(3):76 80.[6] 长江流域规划办公室水文局.长江中下游河道基本特征[R],1983.[7] 张植堂,林万泉,沈勇健.天然河弯水流动力轴线的研究[J].长江水利水电科学研究院院报,1984,(1):47 56.19。
