输沙量法与地形法估算河道冲淤量的对比研究

董耀华

（长江科学院，武汉 430010）

输沙量法与地形法估算河道冲淤量的对比研究

董耀华

（长江科学院，武汉 430010）

以长江中游荆江新厂至监利河段实测水沙与河道地形资料为基础，采用输沙量法与地形法，分别估算了1987年6月至1991年5月该河段的河道冲淤量，并初步对比分析了2种方法的差异、适用性与关键影响参系数。计算分析表明：①采用输沙量法，假设床沙质冲泻质分界粒径为0.062 5 mm，1987年6月1日至1991年5月31日新厂至监利河段河道淤积量为0.431 4亿t；采用地形法，假设平滩水位为34.0 m，1987年5-6月至1991年5月该河段的河道淤积量为0.438 3亿t。2个估算结果非常接近。②影响输沙量法的关键参系数为床沙质冲泻质分界粒径与悬沙级配；影响地形法的关键参系数为平滩水位与泥沙干密度。③在河道冲淤基本平衡和造床条件下，合理确定床沙质冲泻质分界粒径（输沙量法）和平滩水位（地形法），输沙量法与地形法估算的河道冲淤量可以一致或接近；偏离冲淤平衡与造床条件越远，2种方法的估算结果差异越大。

河道冲淤；输沙量法；地形法；冲淤平衡；造床条件；床沙质冲泻质分界粒径；平滩水位

1 概 述

输沙量法（或输沙率法）与地形法（或断面法）是2种估算河道冲淤量的常用方法。如果估算结果一致或接近，2种方法可以相互佐证、互补信息（例如：输沙量法可提供冲淤随时过程，地形法可提供冲淤沿程过程），方便河道的科研、规划与设计工作。但如果估算结果差异较大甚至冲淤定性相反，反而使得科研或工程人员难以取舍。作者认为影响输沙量法与地形法适用性与精度的3个方面原因是：①方法的适用条件；②所需水沙与河道地形资料的限制与精度；③关键影响参系数的确定或选取。

本文以长江中游荆江新厂至监利河段实测水沙与河道地形资料为基础，采用输沙量法与地形法分别估算了1987年6月至1991年5月不同高程（水位）、不同床沙质冲泻质分界粒径下，该河段的河道冲淤量、冲淤随时或沿程过程，对比了估算结果的差异，初步分析了2种方法的适用性与关键影响参系数。

选取新厂至监利河段的2个主要原因是：①该河段在研究时段内实测水沙与河道地形资料比较完备；②研究时段内该河段河道以自然演变为主，且处于冲淤基本平衡状态［1，2］。新厂至监利河段（长86.8 km）为蜿蜒型河道，由石首、调关和中洲子3个弯道及其过渡段组成（图1）；河段进口水沙由新厂水文站控制，出口水沙由监利水文站控制，沿程设有石首和调关2个水位站；河段右岸约10 km处藕池口是长江入洞庭湖的最后一个分流口，分流、分沙量由藕池河的管家铺和康家岗2个水文站控制。

图1 长江中游荆江新厂至监利河段河势图Fig.1 River regime of Xinchang-Jianli reach of the Middle Changjiang Jingjiang River

2 输沙量法估算河道冲淤量

2.1 输沙量法概述

输沙量法估算河道冲淤量基于河流动力学的河道冲淤平衡原理。对于冲淤平衡河道，造床泥沙（包括推移质和悬移质中床沙质部分）的输移总量应该守衡，即河段进出口输沙量差值与河段内河道冲淤量相等［3、4］

式中：GS为输沙量（kg或t）；Q为流量（m3／s）；S为断面平均含沙量（kg／m3）；T为时间（s）；AS为河道冲淤量（kg或t，“+”为淤积“-”为冲刷）；为河段进、出口输沙量。

输沙量法的适用性与精度主要取决以下4个方面的条件或因素：

（1）应满足“冲淤平衡”和“造床泥沙”条件。采用输沙量法，河道应满足“冲淤平衡”，估算只针对“造床泥沙”。但实际应用时，“冲淤平衡”条件可能会放宽到冲淤基本平衡（微冲微淤）、淤积为主（例如：水库淤积）、冲刷为主（例如：坝下游冲刷）等河段；而“造床泥沙”条件可能放宽到不考虑推移质、不区分床沙质冲泻质分界等水沙情况。

（2）水沙资料应完整。输沙量法主要依赖于河道水沙资料，其完整是保证输沙量法精度的前提；水沙资料的完整性主要体现在实测水沙资料的齐全、精准与匹配。

（3）合理确定床沙质冲泻质分界粒径。输沙量法第一个关键参系数是床沙质冲泻质分界粒径，它是确定造床与非造床泥沙的分界指标。

（4）合理选取悬沙级配。一方面，合理选取悬沙级配直接影响床沙质冲泻质分界粒径；另一方面，综合考虑测量频率精度以及估算工作量，通常以典型或代表悬沙级配（例如多年平均级配）代替逐日悬沙级配，可能会对估算精度有一定影响。

2.2 输沙量法估算新厂至监利河段河道冲淤量

根据输沙量法估算河道冲淤量公式（1），新厂至监利河段河道冲淤量的计算公式为

估算条件如下：

（1）时段为1987年6月1日至1991年5月31日；

（2）流量、含沙量过程采用新厂、监利、管家铺和康家港4个水文站逐日实测值；

（3）悬沙级配采用1960-1985年实测平均级配（依据长江科学院汇编《长江河道观测资料（第一集）》，图2）；

图2 新厂至监利河段悬沙级配（1960-1985年平均）Fig.2 Suspended sediment grading curves of Xinchang-Jianli reach（1960-1985 average）

（4）床沙质冲泻质分界粒径ds假设为0.062 5，0.05，0.075，0.1 mm以及全沙等5种情况。

主要估算成果见表1、表2、图3和图4，其中图3和图4输沙量／河道冲淤量-时间（年月日）过程图基于作者自行开发的Fortran语言与Autocad批处理（*.scr）混合编程软件程序，绘制出的时间过程线图突破了Excel绘图最大256组数据的限制。

表1 新厂至监利河段实测输沙量（1987年6月1日至1991年5月31日，分界粒径0.062 5 mm）Table 1 Observed sediment loads of Xinchang-Jianli reach（from 1st Jun.1987 to 31st May 1991，ds＝0.062 5 mm）

表2 输沙量法估算的新厂至监利河段河道冲淤量（1987年6月1日至1991年5月31日）Table 2 Deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach estimated by the sediment load method（from 1st Jun.1987 to 31stMay 1991）

估算成果初步分析如下：

（1）综合作者［1］和其他人研究（如：张海燕［5］），考虑沙与细沙分界，作者推荐新厂至监利河段床沙质冲泻质分界粒径取为0.062 5 mm，相应的1987年6月1日至1991年5月31日新厂至监利河段河道淤积量为0.431 4亿t；

图3 新厂至监利河段累积输沙量（1987年6月1日至1991年5月31日，分界粒径0.062 5 mm）Fig.3 Accumulated sediment loads of Xinchang-Jianli reach（from 1st Jun.1987 to 31th May 1991，ds＝0.062 5 mm）

图4 输沙量法估算的新厂至监利河段河道累积冲淤量（1987年6月1日至1991年5月31日）Fig.4 Accumulated deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach estimated by the sediment load method（from 1st Jun.1987 to 31th May 1991）

（2）采用不同的床沙质冲泻质分界粒径，输沙量法估算的河道冲淤量定性一致、定量差别不大；

（3）若选取全沙，估算的冲淤量会出现定性相反冲淤结果。由此推论：对于冲淤基本平衡河道，采用全沙估算河道冲淤，偏离造床泥沙条件最远，估算结果偏离最大。

3 地形法估算河道冲淤量

3.1 地形法概述

地形法估算河道冲淤量的基本原理是：根据新、旧两次河道实测地形，比较河道槽蓄量变化，估算河道冲淤量。最常用的是断面切割法：依据河势与地形变化，切割若干河道断面，计算断面间河道槽蓄量，估算冲淤量［3、4］。

断面间河道槽蓄量采用加权平均计算，其式为

式中：Wi为i，i+1断面间河道槽蓄量（m3）；ΔLi为i，i+1断面间距（m）；Ai，Ai+1为i，i+1断面面积（m2）。

河道冲淤量的估算式为

式中：AS为河道冲淤量（kg或t，“+”为淤积“-”为冲刷）；ρ＇为泥沙干密度（kg／m3或为旧、新地形i，i+1断面间河道槽蓄量；n为切割断面总数。

地形法的适用性与精度主要取决于以下4个方面的条件或因素：

（1）应满足估算“造床高程（平滩水位）”条件。地形法估算的应该是造床高程（平滩水位）下的河道冲淤量化，但实际应用时“造床高程（平滩水位）”条件可能放宽到高洪、枯水河槽。

（2）河道地形资料应完备。地形法主要依赖于河道地形资料，其完备是保证地形法精度的前提；地形资料的完备性主要体现在地形图比尺不宜过小、测量高程应覆盖高水位河漫滩部分等。

（3）合理确定造床高程（平滩水位）。地形法第一个关键参系数是造床高程（平滩水位），它是确定“造床高程（平滩水位）”条件的唯一指标。

（4）合理选取泥沙干密度。地形法需要进行泥沙冲淤的质量与体积转换，合理选取泥沙干密度非常关键。对于水库淤积、坝下游河床粗化等河段，泥沙干密度的变化可能十分剧烈。

3.2 地形法估算新厂至监利河段河道冲淤量

根据新厂至监利河段1987年5-6月和1991年6月2次实测河道地形，分别切割52个河道断面（图1和图5），将泥沙干密度视为常量处理，估算高程30，31，32，33，34，35，36 m时河道冲淤量见表3和图6。

表3 地形法估算的新厂至监利河段河道冲淤量（1987年5-6月至1991年6月）Table 3 Deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach estimated bymorphological changemethod（from May-Jun.1987 to May 1991）

图5 新厂至监利河段典型断面Fig.5 Typical cross-sections of Xinchang-Jianli reach

图6 地形法估算的新厂至监利河段河道沿程累积冲淤量（1987年5-6月1991年6月）Fig.6 Deposition-erosion amounts along Xinchang-Jianli reach estimated by themap method（from May-Jun.1987 to Jun.1991）

估算成果初步分析如下：（1）依据长江科学院汇编《长江河道观测资料（第一集）》，新厂、监利平滩水位分别为36.69，30.86 m；为此推荐新厂至监利河段平滩水位34.0 m，相应的1987年5-6月至1991年5月新厂至监利河段河道淤积量为0.438 3亿t；

（2）随估算高程的不同，地形法估算的河道冲淤量变幅较大；

（3）鉴于新厂至监利河段估算时段内处于自然演变且冲淤基本平衡，泥沙干密度常量处理是合适的。

4 输沙量法与地形法对比分析

为了定量对比输沙量法与地形法，作者将地形法估算的不同高程下新厂至监利河段1987年5-6月至1991年5月河道冲淤量与输沙量法估算的不同床沙质冲泻质分界粒径下该河段1987年6月1日至1991年5月31日河道冲淤量绘制在同一张图上（图7）。经过综合分析，可以得到如下2点初步认识：

（1）采用输沙量法，假设床沙质冲泻质分界粒径为0.062 5 mm，1987年6月1日至1991年5月31日新厂至监利河段河道淤积量为0.431 4亿t；采用地形法，假设平滩水位为34.0 m，1987年5-6月至1991年5月该河段河道淤积量为0.438 3亿t；2个估算结果非常接近。

图7 输沙量法与地形法估算的新厂至监利河段河道冲淤量（1987年6月至1991年5月）Fig.7 Deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach estimated by the sediment load method and themap method（from Jun.1987 to May.1991

（2）冲淤平衡或基本平衡河道在造床条件下，只要可以合理确定床沙质冲泻质分界粒径（输沙量法）和平滩水位（地形法），输沙量法与地形法估算的河道冲淤量是可以一致或非常接近；偏离河道冲淤平衡与造床条件越远，2个方法估算结果之间的差异越大。这也是2个方法在估算水库淤积、坝下游冲刷或者来水来沙剧变情况河道冲淤量不一致的主要原因。

5 结 论

（1）采用输沙量法，假设床沙质冲泻质分界粒径为0.062 5 mm，1987年6月1日至1991年5月31日新厂至监利河段河道淤积量为0.431 4亿t；采用地形法，假设平滩水位为34.0 m，1987年5-6月至1991年5月该河段河道淤积量为0.438 3亿t。两个估算结果非常接近。

（2）影响输沙量法的关键参系数为床沙质冲泻质分界粒径与悬沙级配，其适用性与精度还取决于“冲淤平衡”和“造床泥沙”条件的满足以及水沙资料的完整性；影响地形法的关键参系数为平滩水位与泥沙干密度，其适用性与精度还取决于“造床高程（平滩水位）”条件的满足以及河道地形资料的完备性。

（3）冲淤平衡或基本平衡河道造床条件下，只要合理确定床沙质冲泻质分界粒径（输沙量法）和平滩水位（地形法），输沙量法与地形法估算的河道冲淤量可以是一致或非常接近的；偏离河道冲淤平衡与造床条件越远，两个方法估算结果之间的差异越大。这也是两个方法估算在估算水库淤积、坝下游冲刷或者来水来沙剧变情况河道冲淤量不一致的主要原因。

（4）值得进一步深入研究工作包括：如何利用输沙量法与地形法估算偏离冲淤平衡以及不同水位下的河道冲淤量；水利工程、采砂等人类活动对输沙量法与地形法的影响；输沙量法与地形法中关键参系数敏感性影响分析等。

［1］ 董耀华，卢金友，范北林，等.三峡水库运用后荆江典型河段冲淤变化计算分析［J］.长江科学院院报，2005，22（2）：9-12.

［2］ 董耀华.葛洲坝工程对坝下游河道行洪影响的计算分析［J］.水利学报，1997，（9）：48-54.

［3］ 张瑞瑾，谢鉴衡，陈文彪.河流动力学［M］.武汉大学出版社，2007.

［4］ 李义天，邓金运，孙昭华，等.输沙量法和地形法计算螺山汉口河段淤积量比较［J］.泥沙研究，2002，（4）：20-24.

［5］ 张海燕，河道演变工程学［M］.方 铎，曹叔尤，译.科学出版社，1990.

［6］ 董耀华，惠晓晓，蔺秋生.长江干流河道水沙特性与变化趋势初步分析［J］.长江科学院院报，2008，25（2）：16-20.

（编辑：刘运飞）

Contrast study on Estimation of River Deposition-Erosion Amount by Sediment Budget Method and Morphological Change Method

DONG Yao-hua
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Regarding Xinchang-Jianli reach of the Middle Changjiang Jingjiang River as an example，on the basis of field data of runoffs，sediment loads and morphologies of river channels，deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach from Jun.1987 to May 1991 are estimated by sediment budgetmethod and morphological changemethod.Difference，suitability and key influential parameters or coefficients of these two methods are preliminarily contrasted and analyzed.Main conclusions are as follow：（1）By means of sediment budget method and under separated sand size 0.062 5 mm ofwash load and bed material load，the deposition amount of XinChang-JianLi reach from 1st Jun.1987 to 31st May 1991 is estimated at 0.431 4×108t，while by means ofmorphological change method and under bankfull stage of 34.0 m，the deposition amount of Xin-Chang-JianLi reach from May-Jun.1987 to May 1991 is estimated at0.438 3×108t.，and two estimates are very close.（2）The key parameters or coefficients influencing sediment budgetmethod are the separated sand size of wash load and bed material load and the suspended sediment grading curves，while those affectingmorphological changemethod are the bankfull stage and the sediment dry density.（3）Under quasi-equilibrium of deposition-erosion and conditions of channel-forming，once the separated sand size ofwash load and bed material load（for sediment budgetmethod）and the bankfull stage（formorphological changemethod）are properly selected，deposition-erosion amounts estimated by both Methods can be obtained identical or very close，the more deviation from deposition-erosion equilibrium and channel-forming condition，themore different of results of these twomethods.

deposition-erosion of river channels；sediment budget method；morphological change method；deposition-erosion equilibrium；channel-forming condition；separated sand size of wash load and bed material load；bankfull stage

TV143.4

A

1001-5485（2009）08-0001-05

2008-10-10

“十一五”国家科技支撑计划课题“三峡工程水库泥沙淤积及其影响与对策研究”（2006BAB05B02）

董耀华（1966-）男，湖北蕲春人，教授级高级工程师，主要从事水力学及河流动力学研究，（电话）027-82820010（电子信箱）DONGYH＠MAIL.CRSRI.CN。