漢江丹江口水庫下游河床下伏卵石層對河床調(diào)整的影響

1、漢江丹江口水庫下游河床下伏卵石層對河床調(diào)整的影響摘要：以二十余年的觀測資料為根底，對漢江丹江口水庫下游河床調(diào)整過程中下伏卵石層的作用進(jìn)展了系統(tǒng)的分析。在沙質(zhì)河床中存在著下伏卵石層的情況下，卵石層的暴露是使河床下切受到抑制的決定性因素。隨著卵石層的暴露，河床糙率將急劇增大，部分河床將不得不采取加大比降的方式進(jìn)展補償。當(dāng)卵石層出露以后，河底抗沖性急劇增大，使得河岸相對于河底的抗沖性大大減小，因此可能出現(xiàn)展寬趨勢。關(guān)鍵詞：下伏卵石層河床調(diào)整漢江1問題的提出受第四紀(jì)冰期低海面和冰后期海面升高的影響，世界上和我國東部平原的很多大河出山口后的床面以下都發(fā)育了埋藏卵石層。在這些河流上修建水庫以后，隨著河床沖

2、刷的進(jìn)展，下伏卵石層可能會逐步暴露，從而對河床調(diào)整過程產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。迄今為止，國內(nèi)外尚未對這一問題進(jìn)展過系統(tǒng)的研究。錢寧等1對水庫下游河床粗化進(jìn)展了研究，劃分出了3種不同的粗化類型，即沙質(zhì)河床下伏卵石層因沖刷而出露所導(dǎo)致的粗化、卵石夾沙河床的粗化和細(xì)沙河床的粗化。對于后兩種類型，前人已在永定河和漢江進(jìn)展過較多的研究2，3，并建立了可用于定量估算粗化過程的數(shù)學(xué)模型2，4。在前人的計算和數(shù)學(xué)模型中，也注意到了具有下伏卵石層的河床中當(dāng)沙層沖走后的粗化，并討論了這種粗化對河床調(diào)整的影響，但根據(jù)實測資料在宏觀的尺度上進(jìn)展系統(tǒng)分析的工作，尚少見于報道。圖1漢江中游示意圖HTSSLatinapshings

3、tudyarea埃及尼羅河上阿斯旺水壩修建以后，大壩下游河段實際上觀察到的下切深度僅為0.7，比不同的研究者所預(yù)報的數(shù)值(2.08.5)都要小得多，Shu等認(rèn)為這與河床以下埋藏著不連續(xù)的卵石層有關(guān)5。由此可見沙質(zhì)河床下伏卵石層的研究具有重大的工程意義。要對我國三峽水庫修建后下游河道的下切深度作出準(zhǔn)確的預(yù)報，必須對長江河床下伏卵石層的作用進(jìn)展深化研究。為了進(jìn)展類比，我們以二十多年的觀測資料為根底，運用地貌學(xué)方法對漢江丹江口水庫下游河床調(diào)整過程中下伏卵石層的作用進(jìn)展了分析。所研究河段示意圖見圖1。2河床沖刷過程丹江口水庫建成于1959年，19601967年為滯洪運用，1967年以后為蓄水運用。從丹

4、江口以下，現(xiàn)代漢江河床為沙質(zhì)河床，床沙中徑由0.350.45逐漸減小到0.20。在現(xiàn)代河床之下，埋藏著卵石層，其比降大于現(xiàn)代河床比降，因此其埋藏深度大致向下游增大。卵石層頂面并不規(guī)那么，具有一定的起伏，故隨著沖刷的進(jìn)展，不同的河段受到卵石層影響的程度是不同的。圖2中點繪了距大壩8k的黃家港河段的深泓高程隨時間的變化。可以看到，在水庫滯洪運用階段(19601967年)，河床沖深為3左右。進(jìn)入蓄水運用階段以后，河床迅速沖深，19681971年間即達(dá)5左右，平均每年超過1.5。但從1971年以后，河床沖刷突然變慢，此后深泓高程一直在75.0上下波動，河床沖刷根本上不再開展。上述情況的形成，除了水庫運

5、用方式的變化外，主要是由于受到床沙組成急劇變化的影響。圖2建庫后黃家港河段深泓高程隨時間的變化TepralvariatininthalegelevatinatHuangjiangangstatin轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.3河床沖刷過程中床沙的變化及其對沖刷過程的反應(yīng)作用為了提醒沖刷過程中河床物質(zhì)組成的變化及其對沖刷過程的反應(yīng)作用，我們在圖3中給出了黃家港與傅家寨兩個地點1959年和1979年床沙的級配曲線。在1979年的采樣中，包括了不同深度上的樣品。從圖中可以得到以下認(rèn)識：圖3黃家港和傅家寨河段床沙級配曲線GrainsizedistributinsatHuangjiangangandFujia

6、zaistatinsin1959and1979(1)黃家港1959年的級配曲線位于粉沙和沙質(zhì)的范圍內(nèi)，中徑為0.35，而1979年河床表層的物質(zhì)那么全部位于礫石的范圍內(nèi)，中徑為65，二者毫無共同之處。顯然，到1979年，沙質(zhì)河床之下的卵石層已經(jīng)全部暴露出來。傅家寨的情況大致與此類似。(2)就1979年河床而論，從表層向下，物質(zhì)組成逐漸變細(xì)，說明在卵石層暴露以后，仍然存在著選擇侵蝕，使表層發(fā)生明顯變化，進(jìn)而形成粗化層。圖4(a)中點繪了建庫后黃家港河段床沙中徑隨時間的變化?？梢钥吹剑?968年以前，床沙中徑均在0.250.50之間，略有粗化，但從1968年開場，床沙急劇變粗，在3至4年中床沙中

7、徑即到達(dá)50左右?？梢哉J(rèn)為這是一種突變現(xiàn)象。這顯然說明，從1971年開場，卵石層已經(jīng)全部暴露出來。卵石層暴露出來以后，因其起動流速遠(yuǎn)大于沙質(zhì)粒級，故對于沖刷過程產(chǎn)生了顯著的反應(yīng)作用，使沖刷迅速受到抑制。將圖4(a)與圖2相比擬，很容易看出，19681971年間，在河床下切的同時，床沙急劇變粗；到1971年以后，卵石層根本上全部暴露出來，河床下切便迅速變慢以致趨于停頓。這說明在沙質(zhì)河床中存在著下伏卵石層的情況下，卵石層的暴露是使河床下切受到抑制的決定性因素。圖4床沙中徑的時空變化Tepralanddnstreavariatinsinediansizefbedaterial上文中主要討論了距大壩不

8、遠(yuǎn)的黃家港及傅家寨河段的河床下切過程。為了查明卵石層的影響范圍，我們在圖4(b)中點繪了1959年及1979年床沙中徑的沿程變化。1979年的曲線說明，在從大壩至大壩以下90k處的河段上，中徑變化于10010之間；但再往下游去，在缺乏10k的間隔 上，中徑由10突然下降到0.50以下。這說明，卵石層暴露的影響可以到達(dá)距大壩90k處。這種影響是不容無視的。4對河床調(diào)整的影響研究說明，除了對下切過程的影響外，下伏卵石層的暴露還影響到河床形態(tài)的調(diào)整，使之出現(xiàn)不同于一般沙質(zhì)河床或卵石河床的特征。4.1下伏卵石層比照降調(diào)整的影響一般而言，由于水庫攔蓄了大量的泥沙，水庫下游的河床調(diào)整都趨向于調(diào)平比降以重建

9、平衡。但是，假如下伏卵石層因沖刷而暴露出來，情形便會有很大的不同。圖5(a)中給出了黃家港至光化和襄樊至宜城兩個河段的比降隨時間的變化。前者河床中下伏卵石層已暴露，后者那么為沙質(zhì)河床，不受下伏卵石層的影響?？梢钥吹?，在黃家港至光化河段的曲線上，從1959年至1969年，比降逐漸減小，但從1969年以后，比降那么有增大的趨勢。對于不受下伏卵石層影響的河段(如襄樊至宜城段)而言，河床比降那么出現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。在早期的研究中，人們比照降的調(diào)整非常重視，但后來逐漸認(rèn)識到，河床的調(diào)整也包括河床橫斷面形態(tài)、平面形態(tài)以及糙率的調(diào)整6。例如，根據(jù)最小能耗假說進(jìn)展河床調(diào)整討論時，大都將河寬、比降和糙率列為三個

10、可調(diào)整變量7。在具有下伏卵石層的沙質(zhì)河床中，隨著卵石層的暴露，河床糙率將急劇增大，使水流阻力增大。由于能量損失的加大，河床將不得不采取加大比降調(diào)整圖形的內(nèi)在機(jī)理。從圖上可以看出，河床加陡始于1969年，正好與卵石層開場暴露、河床急劇粗化的時間相一致。圖5河床比降及橫斷面的調(diào)整Adjustentinhannelslpeandrsssetin4.2河床橫斷面的調(diào)整水庫下泄清水以后，下游橫斷面的調(diào)整取決河床下切和河岸拓展兩個方面作用的比照關(guān)系?？梢钥吹?，下伏卵石層在決定下切、展寬關(guān)系中起到了重要的控制作用。圖5(b)中以丹江口至宜城河段各個固定斷面的資料為根底，點繪了相對展寬率與河岸抗沖性指標(biāo)的關(guān)系

11、。這里相對展寬率定義為調(diào)整前后河寬之差與調(diào)整前的河寬之比，而河岸抗沖性那么用/0.76HJ來表示，式中為河岸物質(zhì)中的粉沙粘土含量，為水的比重，H為水深，J為比降。這里分母0.76HJ用來表示所受到的最大水流切力8。限于所能得到的資料，以蓄水運用開場的1967年的資料代表調(diào)整前，以1974年的資料代表調(diào)整后。為了使調(diào)整前后的河寬具有可比性，所用的流量為中水流量，相當(dāng)于多年平均流量(140016003/s)，而不是建庫前的平灘流量。該圖說明，相對展寬率隨河岸抗沖性的增大而減校值得注意的是，數(shù)據(jù)點可以分為兩個條帶，其斜率不同。河底出露卵石層或受卵石層直接影響的斷面，都位于上方的直線中，而下方的直線中

12、那么只包含未受卵石層影響的斷面。這顯然是由于，當(dāng)卵石層出露以后，河底抗沖性急劇增大，使得河岸相對于河底的抗沖性大大減小，因此出現(xiàn)更為明顯的展寬趨勢。換言之，當(dāng)卵石層暴露以后，假如河岸的抗沖性較小，那么河床形態(tài)可能向?qū)挏\開展。此外，上述兩類斷面河寬調(diào)整趨勢的差異，還與來自上游的泥沙供給條件有關(guān)。卵石層出露段，來自上游方向的細(xì)泥沙供給量非常有限，岸灘沖刷后難以淤回；沙質(zhì)河段細(xì)泥沙供給較為豐富，岸灘沖刷后容易淤回，這也是使前者的展寬趨勢更為明顯的因素之一。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.5結(jié)論與討論本文以二十余年的觀測資料為根底，運用地貌學(xué)方法對漢江丹江口水庫下游河床調(diào)整過程中下伏卵石層的作用進(jìn)展了系統(tǒng)的分析

13、。在沙質(zhì)河床中存在著下伏卵石層的情況下，卵石層因水流沖刷而暴露可視為一種突變現(xiàn)象。這是使河床下切受到抑制的決定性因素。隨著卵石層的暴露，河床糙率將急劇增大，部分河床可能采取加大比降的方式進(jìn)展補償。當(dāng)卵石層出露以后，河底抗沖性急劇增大，使得河岸相對于河底的抗沖性大大減小，因此在最初階段的下切之后可能出現(xiàn)展寬趨勢，表現(xiàn)為一種復(fù)雜響應(yīng)過程。應(yīng)該指出的是，丹江口水庫下游河床調(diào)整的影響因素很多，除了本文所討論的下伏卵石層暴露的影響外，來水來沙條件的變化也起著重要的控制作用，這方面前人已作了大量的研究工作9。本文的成果可以認(rèn)為是對前人研究的一種補充，有助于更全面地認(rèn)識水庫下游河床調(diào)整過程這一非常復(fù)雜的問題

14、。本文的成果還說明，為了使長江三峽水庫下游河床演變數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果更符合實際，應(yīng)該在模型中考慮卵石層因水流沖刷而暴露的影響，否那么將無法得到準(zhǔn)確的預(yù)報結(jié)果。參考文獻(xiàn)1錢寧，麥喬威。水庫修建后下游河道重建平衡的過程。水利學(xué)報，N.1,15-15，1958.2尹學(xué)良。清水沖刷河床粗化研究。水利學(xué)報，N.1,15-25，1963.3韓其為，向熙瓏，王玉成。河床粗化。第二次河流泥沙國際學(xué)術(shù)討論會論文集，水利電力出版社，356-367，1983.4楊美卿，陳亦平。卵石夾沙河床長期清水沖刷的數(shù)學(xué)模型。泥沙研究，N.1,45-54，1988.5Shu,S.A.andGalay,V.J.,TheriverNileinEgypt.In:S.A.ShuandB.R.inkley(Editrs),TheVariabilityfLargeAlluvialRivers,ASEPress,Ne