荆江河段水沙条件与主流线特征关系研究

刘 亚，李义天，孙昭华，陈 飞

(1.长江科学院，湖北 武汉 430010;2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072;2.长江航道规划设计研究院，湖北 武汉 430011)

河道主流线是天然河道水流运动的一个重要特征，与河床演变密切相关，是决定河势、河型变化的重要因素.对于冲积平原来说，主流顶冲部位往往出现严重坍岸，涉及堤防安全，应特别重视.长江荆江河段洲滩发育，主流摆动频繁，航槽位置多变.关于荆江河段的演变研究数量众多，但多是河道演变现象的描述［1－3］，且局限于一些重点碍航水道［4－5］，局部河段的主流线变化作为河道演变现象之一穿插于岸线、洲滩演变中也做了相关说明，缺乏对整个河段主流变化特点的系统研究.张植堂［6］、张笃敬［7］等着眼于单个弯道，在河床形态差异较小的基础上，结合荆江河弯实测资料揭示了弯道水流动力轴线“高水取直，低水坐弯”的年内变化规律，并各自采用不同的变量给出了相关半经验半理论公式，但由于表达式基于的河弯实测数据有限，其适用性受到一定限制.段光磊［8］、蔡大富［9］等分别从典型洲滩演变及河弯平面形态方面讨论了荆江河段的演变规律，认为局部河段的主流线变化主要受制于本河段河床形态、水流动量、上下游河势及人类活动等因素，而长河段的主流线整体变化，宏观上看更趋向于河势、河型的变化特点.

多数研究［10－11］认为广阔深厚的二元结构边界条件、较小的流量变幅及作用时间较长的造床流量、纵向冲淤基本平衡、汛期比降小于枯期等条件是下荆江蜿蜒河型产生与维持的重要因素，但关于荆江在发展演变过程中河型的调整及其影响因素研究甚少.本文以枯水期河道主流线的变化说明近50年来荆江河型的调整趋势，将其归结为坐弯与取直两大类，以平滩面积和宽深比表征的断面形态阐述引发主流弯曲程度变化的直接原因，通过统计相应时段内一些水沙条件特征值的变化，结合河道演变的平衡趋向性原理分析说明水沙条件与主流曲直变化的内在联系.

1 荆江河段主流变化

荆江河段(图1)是发育于江汉平原与洞庭湖平原的冲积性河道，上起枝城，下至城陵矶，长约347km，距三峡水利枢纽约100km，以藕池口为界分为上、下荆江.上荆江以微弯分汊段为主，整体河势稳定少变.下荆江以单一弯道段为主，主流顺着各弯道凹岸蜿蜒而行，河势调整较为频繁，近50年发生大的河势变化有1966—1972年的中洲子、上车湾人工裁弯和沙滩子自然裁弯工程，以及1994年石首河弯的撇滩.由于冲积河流上下游演变之间联系紧密，往往具有“一弯变、弯弯变”的特点.下荆江的裁弯工程主要通过改变长河段比降使得水流动量增加，改变了河段内的水沙条件，从而引起上下游河段主流线的调整变化.

图1 荆江河段主流线Fig.1 Main streamline of Jingjiang reach

1.1 弯曲分汊段

按主流变化特点可将荆江弯曲分汊段分为主流位置较稳定和不稳定的汊道.主流位置不稳定的汊道，其主流随不同水文系列年在左右汊间摆动，或在主汊内大幅度的坐弯取直(如三八滩、金城洲、突起洲、乌龟洲)，本文研究重点为后者.统计了不同时间段各河道深泓弯曲系数k(k=L/H，H为分汊段分、汇流点的直线距离;L为分、汇流点深泓线长度)，具体数值见表1.

表1 弯曲分汊段深泓弯曲系数Tab.1 Sinuosity coefficient of thalweg in bifurcated reaches

由表1可见，荆江各汊道段弯曲系数有大有小，下荆江乌龟洲汊道段弯曲系数较大，且变化幅度也大.由于各汊道段实测资料年限不一致，为了避免各汊道弯曲系数绝对值大小而引起的权重误差，本文计算了各分汊段深泓弯曲系数的相对变化率，并计算其5年平均值.计算结果表明，20世纪70年代初期及90年代中期平均弯曲系数达最小值，主流顺直;60年代及80年代中期达最大值，主流坐弯.

1.2 单一弯道段

单一弯道段主流变化表现为深泓弯曲半径的增大或减小，根据段文忠［3］等统计的下荆江15个河弯特征值，并结合实测资料统计出荆江17个河弯的平均深泓半径见表2.可见，自20世纪60年代中期开始，深泓半径增大，70年代初期达到极大值，而后逐渐下降，80年代中期达到极小值，而后开始上升，90年代中期，深泓弯曲半径增加约700m，即在70年代初、90年代中期弯道深泓半径较大，主流较为顺直，而80年代中期深泓弯曲半径较小，主流弯曲.

表2 单一弯道段深泓半径Tab.2 Radius of thalweg in bifurcated reaches m

弯曲系数与深泓半径同为衡量主流曲直程度的特征值，主流越弯曲，弯曲系数越大，深泓半径越小.但因两者数量级及量纲不一致，不便于统一比较分析.因此，本文定义了相对弯曲特征常数r，统一描述弯曲分汊段与单一弯道段主流曲直变化特点.

图2 荆江河段主流弯曲特征数变化Fig.2 Sinuosity eigenvalue of mainstream in Jingjiang reach

式中:ki为弯曲分汊段的弯曲系数;Rj为单一弯道段深泓弯曲半径(km);n1，n2分别为统计弯曲分汊及单一弯道的河段数.r＜0表示某一时段主流弯曲程度小于统计时段的平均值，据此认为主流取直;r＞0表示某一时段主流弯曲程度大于统计时段的平均值，据此认为主流坐弯，r越大，主流越弯曲.

计算近50年荆江河段的弯曲特征数见图2.可见，60年代后期以前、70年代末期至80年代后期，弯曲特征数大于0，主流坐弯;其他时间小于0，主流取直.

2 水沙条件与主流特征的对应关系

水沙条件是塑造河床的直接动力和物质条件，因而也是影响河道演变最活跃的因素.鉴于天然水文过程存在随机波动，本文采用移动平均的方法，使序列高频振荡(水沙特别年份)对水沙变化趋势的影响得以弱化.同时河床的调整通常要滞后于水流条件的变化，已有研究成果［13］表明，在移动平均年数为4～5 a时，水沙条件与河床形态相关系数达到最大值，因此本文以5 a移动平均值变化分析水沙条件的变化趋势.

2.1 流量与主流弯曲特征对应关系

统计了荆江河段典型水文站年内流量离势系数CV、汛期平均流量及其洪峰变差系数的移动平均趋势线，且对比于前文所述弯曲特征数r的变化，以此初步说明近50年来流量的变化与主流弯曲特征变化的关系(见图3～5).

图3 典型站流量离势系数与弯曲特征数Fig.3 Correlation between sinuosity eigenvalue and coefficient of dispersion of discharge

图4 典型站汛期平均流量Fig.4 Correlation between sinuosity eigenvalue and averaged flood discharge

图5 典型站洪峰变差系数Fig.5 Correlation between sinuosity eigenvalue and coefficient of dispersion of flood flow

总体看来，沙市和监利站的年内流量离势系数、汛期平均流量与洪峰变差系数变化趋势较一致，自20世纪60年代开始下降，于70年代初期达到极小值，而后呈上升趋势，80年代中期达到极大值，随后下降并于90年代中期达到第2个极小值.同时，各特征值变化与主流弯曲特征数变化呈良好的对应关系，主流取直时段，年内流量离势系数、汛期平均流量及洪峰变差系数减小，流量年内分配较为均匀;主流坐弯时段，年内流量离势系数、汛期平均流量及洪峰变差系数增大，流量年内分配较为集中，洪峰尖瘦，洪水陡涨陡落特征明显.

2.2 含沙量与主流弯曲特征对应关系

泥沙是塑造河床的主要因素之一，输沙量反映了河段进出口泥沙的变化，从荆江河段典型水文站年输沙量的变化(图6)来看，自1950年以来，沙市、监利站均呈现升－降－升－降的过程，出现2个极大、极小值，且与主流位置变化一致，70年代初及90年代中期输沙量达到极小值，主流取直，60年代中期及80年代中期输沙量达到极大值，主流坐弯.

图6 典型站年输沙量变化Fig.6 Correlation between sinuosity eigenvalue and sediment runoff

来沙过程对河床塑造作用的影响尤为重要.来沙过程指来沙量的年内分配，本质上是指水沙的搭配关系.由输沙量－流量关系式Qs=kQm可得，m为系数.可见，当Q一定时，m越大，则含沙量随流量的增加率越大，水沙搭配所表现出的“大水带大沙、小水带小沙”的特征就越明显，来沙年内分配越不均匀;m越小，来沙量随流量的增加率越小，来沙年内分配过程较均匀，大、小水含沙量差别相对较小，枯水期含沙量次饱和与洪水期含沙量超饱和程度较低.根据新厂、监利水文站水沙资料，用最小二乘法拟合出日均输沙率与流量的乘幂关系，指数m随时间的变化见图7.水沙搭配关系的变化与主流弯曲特征数呈现良好的对应关系，60年代及80年代中期m值较大，来沙相对集中，年内大水带大沙、小水带小沙的特征明显，弯曲特征数较大，主流坐弯;70年代初及90年代中期来沙年内分配较为均匀，大小水含沙量差别相对较小，弯曲特征数较小，主流取直.

图7 水沙搭配关系变化Fig.7 Correlation between sinuosity eigenvalue and sediment transport index

2.3 水沙条件影响主流变化机理分析

对于冲积性河道来说，来水来沙条件是影响河床演变最主要的因素，河流通过调整河床边界条件与来水来沙相适应，流量过程的均匀化，尤其是漫滩洪水出现几率的减小，使得凸岸边滩淤积减少，导致河床宽深比增大.年内水沙搭配关系的变化也会影响主流的发展，大水大沙有利于淤滩，小水小沙有利于刷槽，如此易形成较大的滩槽差，有利于岸滩的稳定;反之，大水小沙，岸滩淤积较少，小水时来沙相对饱和，使得河槽的冲刷也较少，综合作用下使得河床宽浅，不利于岸滩的稳定，最终导致主流取直.即水沙过程的趋势性变化是主流变化的根本原因，而断面形态的变化则是直接原因.

通过统计1975—2002年荆江河段大埠街以下河道近70个断面的平滩面积及宽深比，绘其平均值见图8(上、下荆江计算水位分别在黄海高程44.3～41.4 m及30m以下).

图8 断面形态变化Fig.8 Correlation between sinuosity eigenvalue and configuration of cross-section

综合河段主流弯曲特征数变化及前述水沙条件来看，三者有着良好的对应关系，70年代中期至80年代中期汛期平均流量及洪峰变差系数较大，来水来沙过程较不均匀，年输沙量较大，大水带大沙、小水带小沙的特征明显，平滩面积增大，宽深比减小，主流坐弯;80年代中后期至90年代中期平均流量及洪峰变差系数较小，来水来沙过程较为均匀，年输沙量较小，平滩面积减小，宽深比增大，主流取直.

3 结语

在总结已有研究成果的基础上，结合实测资料，提出了统一描述分汊段及单一弯道段主流曲直程度的弯曲特征数r.同时采取滑动平均法统计了水库蓄水前天然情况下荆江河段水沙条件的变化，总结出水沙条件的改变与河段主流位置变化呈现很好的对应关系:20世纪60年代及80年代中期，来水来沙较为集中，年输沙量较大，弯曲特征数较大，主流坐弯;70年代初期及90年代中期，来水来沙年内分配较为均匀，年输沙量较小，使得汛淤枯冲的荆江河段滩槽高差降低，宽深比加大，从而河道制约水流作用较弱，主流易于取直.

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