汉江丹江口水库下游河床下伏卵石层对河床调整的影响(许炯心)

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汉江丹江口水库下游河床下伏卵石层对河床调整的影响水利论文 px,u ZC%Z/YW

许炯心

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(中国科学院地理研究所)

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摘 要以二十余年的观测资料为基础,对汉江丹江口水库下游河床调整过程中下伏卵石层的作用进行了系统的分析。在沙质河床中存在着下伏卵石层的情况下,卵石层的暴露是使河床下切受到抑制的决定性因素。随着卵石层的暴露,河床糙率将急剧增大,局部河床将不得不采取加大比降的方式进行补偿。当卵石层出露以后,河底抗冲性急剧增大,使得河岸相对于河底的抗冲性大大减小,因而可能出现展宽趋势。水利论文g!Q^n'U8d

关键词下伏卵石层 河床调整 汉江

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1 问题的提出

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    受第四纪冰期低海面和冰后期海面升高的影响,世界上和我国东部平原的很多大河出山口后的床面以下都发育了埋藏卵石层。在这些河流上修建水库以后,随着河床冲刷的进行,下伏卵石层可能会逐步暴露,从而对河床调整过程产生深远的影响。迄今为止,国内外尚未对这一问题进行过系统的研究。水利论文(Y5ZUl*u

  钱宁等[1]对水库下游河床粗化进行了研究,划分出了3种不同的粗化类型,即沙质河床下伏卵石层因冲刷而出露所导致的粗化、卵石夹沙河床的粗化和细沙河床的粗化。对于后两种类型,前人已在永定河和汉江进行过较多的研究[2,3],并建立了可用于定量估算粗化过程的数学模型[2,4]。在前人的计算和数学模型中,也注意到了具有下伏卵石层的河床中当沙层冲走后的粗化,并讨论了这种粗化对河床调整的影响,但依据实测资料在宏观的尺度上进行系统分析的工作,尚少见于报道。水利论文Cg$}'i$`5N6r6K+xLP

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图1 汉江中游示意图

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HTSSLocation map showing study area

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  埃及尼罗河上阿斯旺水坝修建以后,大坝下游河段实际上观察到的下切深度仅为0.7m,比不同的研究者所预报的数值(2.0~8.5m)都要小得多,Schumm等认为这与河床以下埋藏着不连续的卵石层有关[5]。由此可见沙质河床下伏卵石层的研究具有重大的工程意义。要对我国三峡水库修建后下游河道的下切深度作出准确的预报,必须对长江河床下伏卵石层的作用进行深入研究。为了进行类比,我们以二十多年的观测资料为基础,运用地貌学方法对汉江丹江口水库下游河床调整过程中下伏卵石层的作用进行了分析。所研究河段示意图见图1。水利论文-p)d4gh(n$J"C+{xq

2 河床冲刷过程水利论文go V!yD dvx

  丹江口水库建成于1959年,1960~1967年为滞洪运用,1967年以后为蓄水运用。从丹江口以下,现代汉江河床为沙质河床,床沙中径由0.35~0.45mm逐渐减小到0.20mm。在现代河床之下,埋藏着卵石层,其比降大于现代河床比降,因而其埋藏深度大致向下游增大。卵石层顶面并不规则,具有一定的起伏,故随着冲刷的进行,不同的河段受到卵石层影响的程度是不同的。水利论文1NNV)cyP-W]:zTK

  图2中点绘了距大坝8km的黄家港河段的深泓高程随时间的变化。可以看到,在水库滞洪运用阶段 (1960~1967年),河床冲深为3m左右。进入蓄水运用阶段以后,河床迅速冲深,1968~1971年间即达5m左右,平均每年超过1.5m。但从1971年以后,河床冲刷突然变慢,此后深泓高程一直在75.0m上下波动,河床冲刷基本上不再发展。上述情况的形成,除了水库运用方式的变化外,主要是由于受到床沙组成急剧变化的影响。

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图2 建库后黄家港河段深泓高程随时间的变化水利论文s0|@"G6w$~}B,u `

Temporal variation in thalweg elevation at Huangjiangang station

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3 河床冲刷过程中床沙的变化及其对冲刷过程的反馈作用水利论文R\J[8KwWo]

  为了揭示冲刷过程中河床物质组成的变化及其对冲刷过程的反馈作用,我们在图3中给出了黄家港与傅家寨两个地点1959年和1979年床沙的级配曲线。在1979年的采样中,包括了不同深度上的样品。从图中可以得到下列认识:水利论文)v4Tz&w9F h0zIo

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图3 黄家港和傅家寨河段床沙级配曲线

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Grain size distributions at Huangjiangang and Fujiazai stations in 1959and 1979水利论文._z+|"EK7K2Mp

  (1) 黄家港1959年的级配曲线位于粉沙和沙质的范围内,中径为0.35mm,而1979年河床表层的物质则全部位于砾石的范围内,中径为65mm,二者毫无共同之处。显然,到1979年,沙质河床之下的卵石层已经全部暴露出来。傅家寨的情况大致与此类似。水利论文)n)G _l,B5X0n

  (2) 就1979年河床而论,从表层向下,物质组成逐渐变细,说明在卵石层暴露以后,仍然存在着选择侵蚀,使表层发生明显变化,进而形成粗化层。水利论文eA$|2l0i:f5A4c c

  图4(a)中点绘了建库后黄家港河段床沙中径随时间的变化。可以看到,到1968年以前,床沙中径均在0.25~0.50mm之间,略有粗化,但从1968年开始,床沙急剧变粗,在3至4年中床沙中径即达到50mm左右。可以认为这是一种突变现象。这显然表明,从1971年开始,卵石层已经全部暴露出来。卵石层暴露出来以后,因其起动流速远大于沙质粒级,故对于冲刷过程产生了显著的反馈作用,使冲刷迅速受到抑制。将图4(a)与图2相比较,很容易看出,1968~1971年间,在河床下切的同时,床沙急剧变粗;到1971年以后,卵石层基本上全部暴露出来,河床下切便迅速变慢以至趋于停止。这说明在沙质河床中存在着下伏卵石层的情况下,卵石层的暴露是使河床下切受到抑制的决定性因素。

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图4 床沙中径的时空变化水利论文(]xmr9_\QAP

Temporal and downstream variations in median size of bed material

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  上文中主要讨论了距大坝不远的黄家港及傅家寨河段的河床下切过程。为了查明卵石层的影响范围,我们在图4(b)中点绘了1959年及1979年床沙中径的沿程变化。1979年的曲线表明,在从大坝至大坝以下90km处的河段上,中径变化于100~10mm之间;但再往下游去,在不足10km的距离上,中径由10mm突然下降到0.50mm以下。这说明,卵石层暴露的影响可以达到距大坝90km处。这种影响是不容忽视的。

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4 对河床调整的影响

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  研究表明,除了对下切过程的影响外,下伏卵石层的暴露还影响到河床形态的调整,使之出现不同于一般沙质河床或卵石河床的特征。

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4.1 下伏卵石层对比降调整的影响

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  一般而言,由于水库拦蓄了大量的泥沙,水库下游的河床调整都趋向于调平比降以重建平衡。但是,如果下伏卵石层因冲刷而暴露出来,情形便会有很大的不同。图5(a)中给出了黄家港至光化和襄樊至宜城两个河段的比降随时间的变化。前者河床中下伏卵石层已暴露,后者则为沙质河床,不受下伏卵石层的影响。可以看到,在黄家港至光化河段的曲线上,从1959年至1969年,比降逐渐减小,但从1969年以后,比降则有增大的趋势。对于不受下伏卵石层影响的河段(如襄樊至宜城段)而言,河床比降则出现持续下降的趋势。

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  在早期的研究中,人们对比降的调整十分重视,但后来逐渐认识到,河床的调整也包括河床横断面形态、平面形态以及糙率的调整[6]。例如,根据最小能耗假说进行河床调整讨论时,大都将河宽、比降和糙率列为三个可调整变量[7]。在具有下伏卵石层的沙质河床中,随着卵石层的暴露,河床糙率将急剧增大,使水流阻力增大。由于能量损失的加大,河床将不得不采取加大比降调整图形的内在机理。从图上可以看出,河床加陡始于1969年,正好与卵石层开始暴露、河床急剧粗化的时间相一致。水利论文4m2q3b4jq

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图5 河床比降及横断面的调整水利论文 e UfQ]c

Adjustment in channel slope and cross section水利论文N/h6i"f(i {

4.2 河床横断面的调整水利论文B;Hf Yj)PT5y;sN

  水库下泄清水以后,下游横断面的调整取决河床下切和河岸拓展两个方面作用的对比关系。可以看到,下伏卵石层在决定下切、展宽关系中起到了重要的控制作用。图5(b)中以丹江口至宜城河段各个固定断面的资料为基础,点绘了相对展宽率与河岸抗冲性指标的关系。这里相对展宽率定义为调整前后河宽之差与调整前的河宽之比,而河岸抗冲性则用M/0.76γHJ来表示,式中M为河岸物质中的粉沙粘土含量,γ为水的比重,H为水深,J为比降。这里分母0.76γHJ用来表示所受到的最大水流切力[8]。限于所能得到的资料,以蓄水运用开始的1967年的资料代表调整前,以1974年的资料代表调整后。为了使调整前后的河宽具有可比性,所用的流量为中水流量,相当于多年平均流量(1400~1600m3/s),而不是建库前的平滩流量。

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  该图表明,相对展宽率随河岸抗冲性的增大而减小。值得注意的是,数据点可以分为两个条带,其斜率不同。河底出露卵石层或受卵石层直接影响的断面,都位于上方的直线中,而下方的直线中则只包含未受卵石层影响的断面。这显然是由于,当卵石层出露以后,河底抗冲性急剧增大,使得河岸相对于河底的抗冲性大大减小,因而出现更为明显的展宽趋势。换言之,当卵石层暴露以后,如果河岸的抗冲性较小,则河床形态可能向宽浅发展。此外,上述两类断面河宽调整趋势的差异,还与来自上游的泥沙供应条件有关。卵石层出露段,来自上游方向的细泥沙供应量十分有限,岸滩冲刷后难以淤回;沙质河段细泥沙供应较为丰富,岸滩冲刷后容易淤回,这也是使前者的展宽趋势更为明显的因素之一。水利论文'J%X3r:yM g6IU/{2XU H

5 结论与讨论

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    本文以二十余年的观测资料为基础,运用地貌学方法对汉江丹江口水库下游河床调整过程中下伏卵石层的作用进行了系统的分析。在沙质河床中存在着下伏卵石层的情况下,卵石层因水流冲刷而暴露可视为一种突变现象。这是使河床下切受到抑制的决定性因素。随着卵石层的暴露,河床糙率将急剧增大,局部河床可能采取加大比降的方式进行补偿。当卵石层出露以后,河底抗冲性急剧增大,使得河岸相对于河底的抗冲性大大减小,因而在最初阶段的下切之后可能出现展宽趋势,表现为一种复杂响应过程。

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    应该指出的是,丹江口水库下游河床调整的影响因素很多,除了本文所讨论的下伏卵石层暴露的影响外,来水来沙条件的变化也起着重要的控制作用,这方面前人已作了大量的研究工作[9]。本文的成果可以认为是对前人研究的一种补充,有助于更全面地认识水库下游河床调整过程这一十分复杂的问题。本文的成果还表明,为了使长江三峡水库下游河床演变数学模型的计算结果更符合实际,应该在模型中考虑卵石层因水流冲刷而暴露的影响,否则将无法得到准确的预报结果。

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参考文献水利论文 O_2Oi3a _;o

1 钱宁,麦乔威。水库修建后下游河道重建平衡的过程。水利学报,No.1,15-15, 1958.

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2 尹学良。清水冲刷河床粗化研究。水利学报,No.1,15-25, 1963.水利论文4h-a l#v N&A:M-\

3 韩其为,向熙珑,王玉成。河床粗化。第二次河流泥沙国际学术讨论会论文集,水利电力水利论文 fB4nj0Dl(R

出版社,356-367, 1983.水利论文C1v0Vn S6l

4 杨美卿,陈亦平。卵石夹沙河床长期清水冲刷的数学模型。泥沙研究,No.1,45-54,1988.

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5 Schumm,S.A.and Galay,V.J.,The river Nile in Egypt. In:S.A.Schumm and B.R.Winkley (Editors), The Variability of Large Alluvial Rivers,ASCE Press, New York,75-102, 1994.水利论文4o3Tw9r+X

6 钱宁,张仁,周志德。河床演变学。科学出版社,1987.水利论文9B7}Mcc2x gv7P

7 Yang,C.T.,On river meanders, Journal of Hydrology,Vol.13,231-253, 1971.水利论文)mL#rltQ$n

8 许炯心。水库下游河床调整复杂响应的试验研究。泥沙研究,No.2,49-57, 1986.水利论文 D A.dFJ:z8Z d

9 韩其为,童中均。丹江口水库下游河床演变特点及其机理。见:丹江口水库下游河床演变

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分析文集。长江流域规划办公室水文局,17-391982.水利论文,M6Y2o^9Z)|

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