冲积河流河道演变的水沙因子指标研究进展

(长江科学院 水利部江湖治理与防洪重点实验室，湖北 武汉 430010)

1 研究背景

河道演变主要影响因素包括来水、来沙及河床周界条件。具体而言，主要包括来水量及其变化过程，来沙量、来沙组成及其变化过程，出口侵蚀基点，河床组成，地理地质条件等。对于冲积河道来说，来水来沙条件是最主要的，一方面因为来水来沙集中反映了河流作为水沙输移通道而存在的必然前提；另一方面，后两个条件往往受其影响，甚至是其派生因素。而且，进口水沙条件时刻处于发展变化过程中，影响着河流的冲淤特性，这对于理解河道演变的基本理论并进行合理预测起着至关重要的作用。

最早基于河道演变的水沙因子研究当属河相关系的提出，河相关系表示为冲积河流通过自动调整作用处于平衡状态时,其断面形态、纵剖面形态与流域因素之间存在某种定量的关系[1]。最早提出的河相关系仅限于河道周界因子之间的相互关系，如Schumm S R[2]以冲积河流资料为基础，建立了河道宽深比B/H与河道沉积物中粉砂-黏合含量指标之间关系：

Bi/H=ξ

(1)

式中，i和ξ均为待定参数, 随河床边界组成不同而异。通过对河相关系做进一步研究，有学者认为冲积性河流的河相关系应是水流含沙量的函数，对于高含沙洪水河段河相关系可表示为[3]

(2)

式中,Sv为水流含沙量。随着对河相关系认识的不断深入，更多的流域因子被引入，从而衍生出了一系列河相关系的半经验半理论公式，如窦国仁[4]基于假说理论建立的河相关系：

(3)

式中,A为平均流量下的断面面积；Q，S分别为某河段的平均流量和平均含沙量；vos,vob分别为床底泥沙颗粒止动流速和悬沙止动流速；β为涌潮系数；α为河床与河底的相对稳定系数；比例系数b一般取值0.5；对于大多数平原河流参数k=3～5。但是目前对于河相关系的认识还远不能稳定描述出河道演变的特征及规律。此后，有学者提出除了流量和含沙量以外，水沙组合可以作为新的流域因子来研究河道冲淤变化规律。因此，本文针对基于河道演变现象的水沙因子指标的选取及其对河床冲淤的影响进行了总结分析，并提出有待完善及进一步研究的问题。

2 流量表征因子

径流量、输沙量的大小及过程均对河道演变产生明显影响，由于泥沙的输运是以水流的运动为前提的，因此不少学者认为相对于含沙量，流量特性在河床演变影响因素中占据着更大的权重。由于不同水文年内流量过程线形态各异，对流量过程的量化存在一定困难，提出了一些特征流量用来大致描述流量与河道演变之间的关系。

2.1 造床流量

造床流量是与多年实际流量过程塑造河床效果相当的某一特征流量，决定了河流的平均状态[5]，在河道演变分析、河道规划设计等方面得到了充分的应用[6]。现阶段造床流量的计算方法主要有Makovieve法、最大输沙率法、平滩流量法以及频率分析法。

河床的变化是一个完整流量过程引起的综合变化[7]，造床作用强弱以及每级造床作用持续的时间是造床流量计算中两个重要的因子，因而Makovieve法[8]造床流量可表达为

G=QmPJ

(4)

式中,Q为上游来流量；m为变指数，通过对河段来流量与河段输沙率的关系进行拟合确定；P为该级流量对应的频率密度，P=ΔP/ΔQ，ΔQ为流量分级，ΔP为ΔQ对应的频率；J为水面比降。最大输沙率法求造床流量即绘制各级流量的频率和输沙率乘积的地貌功曲线[9](Q-QnP)，取与曲线峰值相应的流量作为造床流量。平滩流量法即是采用平滩水位相应的流量作为造床流量[10]；以长江中游顺直河段为研究对象，造床流量大致相当于4 a一遇的洪水流量[11]。

造床流量作为衡量多年造床作用的一个平均流量，在水力特性、河床冲淤研究方面有着重要的参考作用。多数学者认为复式河道的漫滩流量即为造床流量，在此流量下断面流速、紊动特性、阻力分布以及泥沙输移都有显著变化[12-14]。但在具体应用方面，同一个河段采取不同的方法可能得出不同大小的造床流量[15]。同时，对于同一河段、同一方法，不同的操作人也有可能得出不同的结论。以目前使用较多的最大输沙率法和平滩流量法为例，最大输沙率法中指数n对于水流造床作用曲线分布有一定影响，但现阶段对于不同河段，指数n的取值尚不明确；平滩流量法中水位的确定具有一定的主观性，且冲积平原河段流量与水位是多值对应关系，对于同一平滩水位，其流量变化范围较大，可能导致一定程度的误差。

2.2 冲淤临界流量

从河床冲淤年内分布特点上看，长江中游较宽河道的主流区流速大、滩槽冲刷，缓流区流速小，河床淤积；黄河下游“洪水期滩淤槽冲、枯水期槽淤滩冲”以及弯曲段凸岸边滩“洪冲枯淤”，凹岸深槽“洪淤枯冲”的年内冲淤分布特点都显示着存在一个冲淤临界流量，当来流量大于这个流量时，河道发生冲刷，反之则淤积[16]。

随着研究的深入，关于流量对河道冲淤的影响逐渐从定性分析发展到定量研究。通过对黄河及长江的洪水资料及河道冲淤分析得出黄河下游冲、淤分界流量大致在18 000 m3/s左右[17-18]，长江中游临界流量为29 000～35 000 m3/s[19]。进一步以黄河下游河道为研究对象，发现冲淤临界流量随着含沙量的增大而增大[20]，而后有相关学者利用非饱和输沙公式,提出了以悬移质为主的冲积河流冲淤临界流量与水沙以及边界条件的一般关系式[21]：

(5)

式中,Qc为冲淤临界流量；f,k为河段的输沙特性参数。从冲淤临界流量公式中可以得出结论：冲淤临界流量随着含沙量的降低而减小，反之则有所增加。在冲淤临界流量中引入含沙量因子，是一个明显的进步，综合反映了河床的冲淤性质是水与沙的综合作用。

2.3 流量过程因子

天然河流中流量呈现较强的非恒定性。流量过程对河床的塑造作用明显，天然河道的实测资料分析及水槽试验均证实不同的流量变幅可能产生不同的河型。许多概化试验表明，当总水量一定时，各个时段流量变幅越大，断面形态越宽浅，容易形成游荡型河流；反之，断面形态窄深[22]。

对于冲积河流来说，主流带平面位置的摆动是河床冲淤的一大重要因素，而主流带通常随着流量的大小变化而发生平面位置迁移[23-24]。某一流量级持续时间的长短，与该流量级下主流所在滩槽部位的冲淤幅度相对应。据统计，长江中下游分汊河道冲淤规律与某些特征流量的持续天数存在明显相关关系。以罗湖洲水道为例，统计得出罗湖洲水道凸岸人民洲边滩面积与洪水流量、中水流量持续时间关系见图1。图1表明，洪水流量(48 000 m3/s)持续时间越长，边滩面积越大，中水流量(16 000～48 000 m3/s)持续时间越长，则反之。同时以螺山站为例，发现螺山站洪水流量(35 000 m3/s以上)持续天数增加时，同期嘉鱼水道汪家洲边滩大幅度淤长[25]。

综上所述，关于流量过程对河道演变影响的相关研究方法主要是概化试验及实测资料分析。试验中采用的概化流量过程跟天然流量存在一定差异，而实测资料分析得出的一些冲淤临界流量，受河道局部地形、上下游河势等影响，具有较强的地域性，且受实测地形资料的影响，代表性不够充分。

图1 人民洲边滩面积与特征流量持续天数关系Fig.1 Relationship between characteristic flow duration and beaches area in Renminzhou Beach

3 含沙量表征因子

河道的冲淤性质取决于来沙量与水流挟沙力的对比关系。水流挟沙力可定义为一定水力条件下水流的饱和含沙量, 即处于不冲不淤即输沙平衡状态下的含沙量，因此河流含沙量特性的变化将会引起河道淤积状态的变化。历年来，相关学者在我国不同流域上开展了大量关于含沙量对河流冲淤性质影响的研究，得到一系列科研成果。

对于黄河下游河道来说，影响河床冲淤相对平衡下临界含沙量的因素主要有河槽单宽流量、洪水漫滩程度、悬移质泥沙级配和床沙质最粗一组泥沙的沙重百分数等[26]。根据实测水沙资料[27]，分析得到黄河下游河道冲淤的临界含沙量为21 kg/m3，而后发现流量越大，临界含沙量越大[28]。进一步研究认为在同一流量级下，在非高含沙水流范围内，当含沙量减小时，河道发生冲刷；随着含沙量的增加，主槽发生淤积。当含沙量再增加达到高含沙水流范畴时，冲淤情况相反[29]。

根据长江中游河道大量水文资料分析可知，河床的冲淤一般发生在洪水期，含沙量大小决定着冲淤的速度，当含沙量减少，冲刷会加快、淤积会减缓，当含沙量增加则反之[30]。有学者根据三峡水库修建以前的资料统计分析，认为年冲淤量与宜昌站年平均悬移质含沙量呈正相关关系。当三峡水库蓄水运用后，水库拦截大量泥沙，中下游含沙量大幅度减少，冲刷分布特征也逐渐由蓄水前的“冲槽淤滩”转变为“滩槽均冲”[31]，长江中游分汊河段河道出现了支汊冲刷发展、中低滩冲刷变形的演变现象。

4 水沙组合表征因子

近年来，人类活动和天气变化影响了我国各流域干支流的径流量和输沙量，改变了各流域泥沙的时空分布，改变了原有的水沙组合关系，影响着河道的冲淤特性[31-32]。

由于自然条件和人为活动双重因素的影响，水沙强烈的不协调性成为黄河流域水沙系列的基本特征[33]，因此关于水沙组合的相关研究在黄河流域上较为丰富。以黄河下游为研究对象，有学者通过研究河槽形态与流量、含沙量对应关系发现，这种对应关系是跟水沙组合整体的对应，而不是某一个单独因子[34-35]。为了表示水沙组合情况，在黄河上常用来沙系数作为指标[36]，例如有学者根据黄河下游资料发现漫滩洪水来沙系数和主槽冲淤强度qsm与滩地冲淤强度qsf之间存在线性关系(见图2)，并得出公式[37]：

qsm=12.14ρ-0.34

(6)

qsf=-10.71ρ+0.45

(7)

并用ρ的大小来反映河道的冲淤状态。

图2 滩槽冲淤强度与来沙系数关系Fig.2 Relationship between incoming sediment coefficient and erosion/sedimentation intensity of foreshore and channels

目前对于水沙组合相关的研究，主要是基于长系列水文要素得出的一个趋势性指标，没能反映流量及含沙量的过程形态，无法准确判断某个具体水文年内不同时期的水沙同步特征。

5 结 论

针对冲积性河流，总结了历年来关于河道演变研究中水沙因子指标的相关研究，主要结论如下。

(1) 含沙量、流量特性在河床演变影响因素中占据着很大的权重。目前提出了包括造床流量、冲淤临界流量(含沙量)等在内的一系列特征值，来描述含沙量及流量与河道演变特性的对应关系。但河道演变从本质上是水流与泥沙的相互作用过程，因此单独的径流或者输沙因子无法完全反映挟沙水流对河床的塑造作用，提出包括流量、输沙大小及过程的综合因子是深入研究水沙条件塑造河道过程及机理的关键。

(2) 对于水沙组合关系有不少研究，研究成果丰富，其中水沙组合指标的提出加快了水沙条件对河道演变影响的定量研究进度。目前以黄河流域为研究对象取得一系列较为成熟的研究成果，但对其他流域有待进一步的深入研究，尤其是三峡水库运行后水沙组合条件变化较大的长江流域。在长江流域上进一步深化类似研究，对于新的水沙条件下长江中下游河道演变趋势的预测具有重要意义。