沙洋站断面输沙特性刍议

伏 琳,吴士夫

(1.长江水利委员会沙洋水文站,湖北 荆门 448200;2.长江工程职业技术学院,武汉 430212)

1 概 况

沙洋水文站是长江流域汉江下游的重要控制站之一,是控制汉江下游水情的一类精度基本站。此站初设于1929年5月1日,原站名沙洋(一),后下迁至新城,因新城测验困难又迁回沙洋,现用站名沙洋(三)。测验河段设在沙洋城区下游约lkm,基本水尺断面位于沙洋大桥下游600m处,流速仪测流断面位于基本水尺断面下游1 220m处,控制流域面积144 219km2,距河口距离297km。河段两岸均为堤防,无支流入汇,测流断面上游约1.8km有沙洋公路桥,左岸下游约400m为天门进水闸,测验河段河床为细泥沙土组成,土质松散,河床冲淤变化剧烈,属游荡性河床,主泓摆动不定,变化范围可达200m。水位流量关系受洪水涨落和断面冲淤双重影响,2009年黄庄上游不远的滚水坝启用后,断面的水位流量和水沙特性产生了较以往更为复杂的变化。

2 断面河床冲淤分析

引起河床演变的根本原因是输沙的不平衡,而进一步的深层原因,则是动床之中水沙两相流的内在矛盾以及不恒定流等外部条件(上游水沙条件和河床周界条件)。纵向输沙的不平衡会引起河床的纵向变形,横向输沙的不平衡则引起河床的横向变形,而局部输沙的不平衡将引起河床局部变形。因此河床和水流具有“自动调整作用”,即在不断淤积和冲刷的发展过程中,河床和水流进行自动调整,通过改变河宽、比降、水深、床沙组成等使本河段的水流挟沙能力与上游的来水来沙条件趋于相互适应,从而使淤积和冲刷向着其停止的方向发展。所以说,输沙的平衡状态只能是相对的、暂时的。来水来沙的改变及河床上周而复始的沙波运动,必然再次重复引起新的输沙不平衡,从而促使河床发生新的变形。沙洋站断面所处河段比较顺直,但下游不远处有一曲率半径较小的弯道。顺直河道的右岸一般为较易冲刷的河漫滩冲积层,虽岸线形态顺直,但主流流路弯曲,因此较易形成两岸交错排列的滩槽,主流线向下缓慢蠕动,滩槽相应发生冲淤变化,变化较大的年份甚至可以发生滩槽易位。而下游弯道环流作用引起横向输沙不平衡的演变趋势、撇弯现象,也能在一定程度上上溯影响到沙洋断面的河床变化。除此之外,由于上游丹江口水库拦蓄了大量的泥沙,水库下游的河床调整都应趋向于调平比降以重建平衡。但到目前为止,沙洋站断面的冲淤变化依然很剧烈。图1显示的是沙洋站断面2004～2008年的大致变化趋势,断面的冲淤剧烈变化显而易见。

图1 沙洋站2004～2008年断面变化趋势图

3 断面水沙量分析

降水产生了地表径流,因而入汇的河水不可避免地含有了泥沙,如此一来水与泥沙本身形成了一个矛盾的统一体,这在河流学中叫做两相流。水流中含有泥沙本身就是河流之所以成为一个矛盾统一体的基因。水流创造河床,冲刷河床,河床约束水流,改变河势,水与沙或者说水流与河床这一矛盾的统一体就是河流内部的矛盾关系,而水流则是这一矛盾的主要方面。由于在水流冲刷河床,河床约束水流的相互制约及促进过程中,最终起决定作用的还是主动性较强的水流。因此河流变化中所表现出的各种现象,正是水流与河床矛盾运动的表现。建坝以后,进入坝下游河流的水沙条件会有不同程度的改变,从而引起了水库下游河流的再造床过程。水库下泄清水以后,下游河道调整的总方向是要降低河槽的挟沙力,使与减小的来沙量相适应。因此,要了解河流的输沙量。同时也要知道其径流量。将矛盾体的两方面结合起来分析。沙洋站的水位流量关系主要受上游丹江口水库的出库流量和唐白河的来水影响。关系线一般中高水呈逆向绳套趋势,低水一般呈临时单一线趋势。来水的不同使沙粒组成有较大区别:丹江口水库出库水沙沙粒粒径较粗,而水库下游至本断面流域的降雨产汇流形成的沙质较细,土质黏性粉沙占较大比例。且这个在早床过程还在继续,断面的纵横向无论是年际变化还是年内变化都仍然较大。如图2所示,断面的主漕逐步右移。

图2 沙洋站2009年8月断面变化趋势图

4 历年悬移质含沙量测验情况

该站自建站以来,悬移质含沙量测验一直采用全断面输沙和相应单沙测验相结合,建立单沙-断沙相关关系推求断沙进行资料整理。断沙的测验方法均采用10线1∶1∶1垂线混合取样。相应单沙代表性垂线起点距的确定按水位级分段取样:≥36.2m时在160m、360m、480m 处;≤36.2m时在160m、200m、360m 处;取样均采用 1∶1∶1定比混合。某些年份因滩洲起伏变化而被动临时改变取样垂线。该站悬移质含沙量测验在进入20世纪90年代以来,由于河床滩洲变化、主泓主槽左右摆动不定,单样取样位置已经严重失去代表性,至1997年已经不能用单断沙关系推求断沙,期间采用断沙过程线法推求断沙。自1998年起至今,全年推沙舍弃单断沙关系,均采用断沙过程线法来推求。2008年的单沙恢复分析由于断面冲淤的剧烈变化也没能找到较好的代表性。由于本河段河流主泓线逐年向下缓慢左右蠕动,滩槽时刻在发生冲淤变化,滩槽易位的现象亦是常有发生。断面的输沙特性较为复杂。当断面的主泓和主漕在左岸时,目前该站使用的采样起点距的代表性才比较好(现在采样起点距大致为左密右稀),但依近年水沙情况的变化(主泓主漕已移向右岸)来看,该断面的采样起点距的代表性需要根据其横断面的输沙变化和沙洲移动而做相应改动,否则将在大部分时间里失去较好的代表性。

5 总 结

从来水来沙条件塑造河槽,河槽形态反过来约束水流泥沙运动,并控制河床演变特性和输沙特性的方案出发,可以发现河槽形态在河型转化中起着关键作用。河槽形态是不同河型的主要标志,也是形成不同河型的控制条件。河槽形态不同对输沙特性的影响,反映了不同河型的形成与演变特性。而河槽特性是由长期来水来沙条件所决定的,来水来沙条件不同,河道演变、输沙特性也不同。加注河流的来水来沙条件、包括来沙组成与水沙搭配情况,前者往往决定于流域地表流失物组成,后者是流域降雨产沙和区间输移汇流条件决定的,来沙组成与水沙搭配之间往往存在着内在的联系。比如说上游丹江口闸坝减少下泄量,但闸坝和沙洋站之间的产沙量在一段时间内较大,即水流挟沙力小于来沙量。则该断面产生淤积。若相反则产生冲刷,即河床质变为悬移质或推移质随水流下泻以及右岸细沙质泥土的大量坍塌进入河床随水流下泄。丹江口水库基本上拦蓄了汉江上游全部的细沙,冲刷使床沙逐渐粗化,它的变化会逐渐影响到下游以及下游更远处。这样也致使悬移质比例减少,推移质比例加大。而推移质运行较慢,在运行过程中不断地与床沙进行交换,在中、枯水水流归槽后这些推移质常以局部三角洲形式向前推进。自丹江口水库蓄水后,其闸坝下泄量常年多为中水流量(800～1 500m3/s),汉江的输沙量从20世纪中期至今,其上游98%的来沙被拦蓄在库区内,下泄的主要是粗沙。但这粗沙的粒径也正在经历越来越细的变化。

目前汉江梯级开发形势大好,沙洋站断面附近有上游已建成的宜家湖滚水坝和下游在建的新隆滚水坝。如此一来,来水不变时断面的纵比降会大幅度减小,从而减小来水的水流挟沙力,断面的水位会因闸坝的开启而有更多的起伏变化。同时沙洋站断面输沙变化也会较以往繁复。另外该断面上下游100m以内有大量的采砂船昼伏夜出违法采砂,所以采样计算出来的输沙量将因其而受到一定的影响。随着南水北调工程全线运行和梯级开发各滚水坝的相继建成,未来沙洋站的水沙特性会和以往及现在有很大的变化。总体应向着输沙量减小的趋势及水流挟沙力与来沙量相对平衡的趋势靠近。