山区河流水沙基本特性探析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：山区河流复杂的水文泥沙特性可以川江为例。川江自宜宾至宜昌全长1045km，为山区河流。表9-1川江河段平均水文特征值表山区河流水沙运动的非恒定性、卵石运动的随机性和间歇性是山区河流的突出特点。

山区河流，坡陡流急，集流散流过程迅速，洪水猛涨猛落，水位流量变幅大，水流挟沙能力变化急剧。通常，山区河流河谷狭窄弯曲，两岸地质构造发育，岩石风化破碎，构成河床的床沙多为砾石、卵石挟沙物质，颗粒粗，级配分布宽。这种宽级配床沙中的一部分，在水流作用下，沿床面滑动、滚动或在近床面跃移而形成推移质。这种卵石宽级配推移质输移具有与一般沙质推移质不同的输移特性，其输沙率与水流强度、来沙特性和床沙组成之间，形成相互反馈、错综复杂的关系 (曹叔尤等，2000;聂锐华等，2004)。

山区河流复杂的水文泥沙特性可以川江为例。川江自宜宾至宜昌全长1045km，为山区河流。河道迂回曲折，宽窄相间，浅滩与深槽交替。流经丘陵与高山峡谷地区，水量充沛，河道地质主要为岩石与卵石构成，河床相对稳定。奉节以上为高山、丘陵地区，多砂岩、泥岩和页岩;奉节以下为三峡地区，以石灰岩为主，局部有砂页岩与花岗岩等。受地质构造的影响，丘陵宽谷河段的洪水河宽一般800～1000m，最宽达1500m 以上，河中多泥沙淤积成的边滩与江心洲。峡谷河段的洪水宽度较窄，一般在300m 左右。天然情况下，由于基岩河床控制着较大流量，形成陡坡急流，水流能量大，较大的水流能量又作用于河床，造成河床冲淤变化。在主河槽中，主要为卵石推移质的冲淤变化，较细的悬移质泥沙，主要在宽阔河段的缓流、回流区淤积。

川江沿岸重庆以上主要有岷江、沱江，以下有乌江，重庆主城区有嘉陵江支流入汇。上述支流每年输入川江的沙量，约占川江总输沙量的40%。本河段朱沱、寸滩水文站的水文特征值如表9-1所示 (张之湘等，2005)。根据1954～1985年实测资料统计得出，本河段枯、洪水量相差达30倍左右，洪水期暴涨暴落，水位日变幅一般在3m 左右，峡谷河段达8m 以上，年变幅一般20m 左右，峡谷河段可达50m。对于卵石挟沙河床，较粗的卵石在一般水流条件下不参与运动，仅在洪水期才起动输移。这种不动的粗颗粒是河床沙粒阻力的重要组成部分，由此影响水流结构，以致影响推移质输沙率。对于卵石河床，由于遭受水流的冲刷作用，床面形态发生调整，泥沙问题更为复杂 (Zhang et al.，2005)。

表9-1　川江河段平均水文特征值表

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山区河流水沙运动的非恒定性、卵石运动的随机性和间歇性是山区河流的突出特点。

9.1.1.1　卵石运动具有极强的随机性

由于作用在沙粒上流速的脉动性、床沙组成的非均匀性、泥沙在床面上的排列及所处位置的偶然性、粗细颗粒泥沙相互混合的不确定性、泥沙补给条件的不稳定性等，使卵石运动在时间和空间上都具有很大的随机性 (曹叔尤和方铎，1992)。川江卵石粒径一般为50～200mm，川江河床断面宽窄相间，流速的沿程变化时大时小，使卵石输移也相应的时断时续。加之水流的脉动，在同一地点、同一水位的输沙率大小不一，这就造成卵石运动的随机性特征。为研究卵石推移质输沙率的脉动特性，都江堰泥沙试验站于1977～1985年期间，在岷江都江堰河段共进行了20组718次原型采样试验，试验采用MB—2型卵石推移质采样器，每组试验重复取样30～50次。同一组试验的每组次采样历时相等，不同组的试验，其采样历时按输沙控制在0.5～5min范围内，同一组试验要求在4h内观测完毕，其相应水位变幅不超过0.05m，可视为水流条件不变。曹叔尤等(2000)整理分析了岷江都江堰河段实测部分输沙率的过程，将1983年9月15日与1983年8月24日的实测推移质输沙量整理分析可以看出，输沙率在相同水流条件下的变幅很大。20组观测资料表明，卵石的脉动率可达时均值的5～25倍，标准差σ=0.242～198.8。统计参数表明，卵石推移质输沙率的变差极大，统计分布分散，呈明显的随机性。

9.1.1.2　卵石运动具有极强的间歇性与不连续性

卵石运动的间歇性表现为运动距离短，停歇时间长，平均运动速度低，远小于水流速度。20世纪60年代初期，长江科学院与寸滩水文站等单位合作，开展了同位素锌65示踪标记卵石的试验研究(唐日长，1990)。对天然和水泥卵石组中的27颗，在行经1.40～2.00m 距离内，多数卵石都要停歇一次，停歇时间最短都在1min以上;对沥青卵石组中的8颗，除1颗在滚动6.1m 内停歇一次外，其余7颗在行经0.7～6.1m 内均未停歇。根据枯季在河床中搜集到的四颗汛期投放的标记卵石滚动距离推算，在几十天内的平均运行速度仅为0.0032～0.0146cm/s。根据文献(秦荣昱和王崇浩，1996)整理的资料可知，在水深4.8m，水流速度2.16m/s时，30mm 的泥沙颗粒运动速度为0.058～0.37cm/s。不难看出天然卵石在其输移过程中不仅运动速度慢，而且具有很强的停歇性，说明卵石推移质运动具有很强的不连续特征。

9.1.1.3　水流表现出极强的非恒定性

山区河道泥沙相互作用表现为强烈的非恒定、非均匀泥沙输移现象，主要是由非恒定流与急流共同作用下的山区河流水流运动规律决定的。泥沙运动力学的主要理论和公式，都是在恒定均匀流条件下建立起来的。在自然条件下，尤其对于日调节枢纽上下游，泥沙都是在非恒定非均匀流中运行的。

随着国家西部大开发战略的进一步深入，西南将成为中国水电开发的主战场，一批巨型水电站陆续建成投产。同时，枢纽建成运行，改变了来水来沙及河床边界条件，在枢纽上、下游易产生冲刷或淤积，严重的河道会影响通航、防洪和引水安全。由于枢纽负荷的不均衡，一日之内库水位几涨几落，故需进行水库日调节，致使枢纽下游产生日调节波。波形表现为波高逐渐降低，波长逐渐延长，复式峰逐渐向单峰演化，直至水库下游的一定距离后消失。在传播过程中日调节波除有天然水面比降外，还兼有附加水面比降，使得水流表现出极强的非恒定性。

山区河流水沙基本特性探析

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