汊道演变的水沙过程影响分析

刘晓芳　黄河清　樊金生

摘要：长江中下游许多汊道河段主支汊易位頻繁，但对产生这一现象的主要驱动机理与影响因素一直争议不休。研究采用距平分析法、Marm-Kendall分析与基于分形理论的极差分析法相结合的方式，详细分析了监利河段1951年-2009年间流量和输沙率时间序列年尺度的变化过程。结果表明，流量及输沙率的Hurst数分别为0.943 0和0.923 9，均十分接近1.0，具有很强的持续性。Manrr Kendall分析发现，输沙率序列无明显突变，流量序列仅在1967年出现突变，主要由上游实施裁弯工程所致。系统分析来水来沙的匹配关系发现，该河段主支汊易位时间与水沙序列匹配状态有明显的相关关系，在“水多沙少”时期，监利右汊为主汊；而在“沙多水少”时期，监利左汊为主汊。

关键词：监利河段；分汊河道；主支汊易位；流量；输沙率；匹配关系

中图分类号：TV131.4 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0001-08

受到地形、地质、气候、植被等流域的自然地理因素及人类活动的影响，河道的来水来沙量会随时间或空间的变化呈现显著差异。由于河床演变是挟沙水流与河道边界长时间相互作用的结果，因此水沙条件的变化会直接影响到河床的演变过程。在分汊河道中，来水来沙通过两个或两个以上的汊道输运，并根据各汊道深泓线的高低来划分主支汊。通常情况下，主汊的分流比更大，流速高，挟沙能力强，支汊则相反。由于不同分汊河道中主支汊纵剖面形态本身相差很大，再加上水沙条件的差异，就使得分汊河道的演变过程相差迥异，主支汊兴衰交替的周期性差距很大，短则十多年，有些长达数百年不等。

汊道间的分流分沙常被认为与主支汊兴衰交替的周期性变化过程有着密切的关系。然而，分流分沙比是水沙过程与汊道床面形态相互作用的结果，水沙过程通过影响河床形态而使得汊道的分流分沙比发生调整，再加上人类活动的影响，使得分流分沙比变化频繁，规律性更加难以把握。另外，汊道分流分沙的实测资料相对稀少且不连续，这些使得从分流分沙的角度研究主支汊兴衰交替的周期性变化过程及趋势存在很大的困难。

汊道的河床演变对于水文过程的响应为学界所广泛接受，然而很少有人研究河流水文序列的周期性、持续性和突变性是否对于主支汊易位的变化过程产生影响。水文序列通常可以表示为周期性、趋势性和随机性的组合，R/S分析方法可用于研究介于周期性和随机性之间的时间序列，并被广泛用于分析河道径流过程的持续性。另外，人类活动（大坝水库的修建、河道的裁弯取直等）会使得水文序列发生突变，引起河道床面形态、断面形态甚至是平面形态的演变，Mann-Kendall是一种检测气象和水文序列是否发生突变的常用方法。河流自然的水文情势指标形成一系列的时间序列，最典型的时间序列为流量序列、输沙率序列，由于弯道主流线曲率的变化是受到流量序列变化的影响，分汊河道主支汊易位很大程度上也源于主流的摆动，因此弯曲分汊河道中主流的摆动被认为与其流量序列的变化密切相关，并在文献[19]中得到证实。然而，当流量增加时，输沙率会呈现指数倍的增长，但很少有研究考虑输沙率序列以及水沙匹配关系变化对于主汊位置轮换的影响。

监利河段位于长江中游的下荆江的中部，长期以来主支汊易位频繁发生。本研究以监利河段为例，根据该河段流量和输沙率年序列的实际观测结果，采用时序距平分析法、ManrrKendall突变分析与基于分形理论的极差分析法相结合的方式，研究1951年-2009年间流量和输沙率序列的持续性、突变性以及来水来沙之间的匹配关系，试图揭示上述水沙特征对于分汊河道中主汊位置轮换可能产生的影响。

1研究区概况和数据来源

1.1河段概况

监利河段位于长江中游下荆江的中段，上起塔市驿，下至天字一号，全长约27 km，由监利河弯和裁弯后的上车湾新河段组成。该河段为典型的弯曲分汊河型，曲率为1.72，乌龟洲将河弯水流分为左、右两汊（图1）。该河段的上下游在1967年和1969年先后实施了中洲子和上车湾人工裁弯。1972年7月，在该河段上游约35 km处的沙滩子发生了自然裁弯。河段内设有监利（姚圻脑）水文站，多年平均径流为3543亿m³，5月-10月径流量占年径流量的74%。河道泥沙主要来源于干流，多年平均输沙量为3 174亿t。输沙量较径流更加集中，5月-10月输沙量占全年总输沙量的90%以上。

1.2主支汉易位的历史过程

据文献记载，如图2所示1931年特大洪水使得监利右岸边滩被主流切割成江心洲，监利河段自此成为分汊河道，主流走右汊；到1934年，深泓移至右汊，左汊逐渐淤积衰退。随着江心洲右缘的崩退和右岸（凸岸）边滩的淤涨，到1945年前后，深泓摆动至左汊；1955年-1969年间，左汊稳定发展为主汊，右汊有萎缩的趋势；1971年汛后，上游边滩下移，与乌龟洲洲头低滩连成一体，将监利左汊的口门堵塞，影响了左岸的进流条件，造成左汊衰退，右汊迅速发展。到1974年底，主流逐渐左移，到1975年枯水期，主流摆回到左汊。1976年、1977年左汊得到了一定的发展，然而到了1978年和1979年主流又逐渐右移，总体上两汊的分流比在50%左右摆动，形成两汊争流的相持局面，到了1980年以后主流稳定在左汊，左汊作为主汊的地位不断的巩固。到了20世纪90年代初再次形成两汊相持、南北争流的局面。一直到1993年，左汊不断淤积缩窄，右汊则冲深展宽，两汊的分流比在50%左右摆动。到了1994年汛后，右汊迅速发展起来，右汊的分流比已经超过70%，开始逐渐成为主汊。

1.3数据来源

本文以长江中游监利（姚圻脑）水文站1951年-2009年历年月均流量及月均含沙量为基础资料（数据来自长江流域水文年鉴），月均输沙率由月均流量与月均含沙量的乘积求得，再将月均流量及月均输沙率各自累加取平均值得到年均的流量及输沙率。由于该水文站1960年7月至1966年3月期间停测，1970年-1974年期间向下游迁至洪山。为了保证整个水沙序列的连续性，前者采用上游新厂站月均流量与藕池河月均分流量的差值估算，后者则采用下迁的洪山站资料来代替。监利、新厂、藕池口、洪山水文站的位置见图1。

2研究方法endprint