基于粒径分析方法探索人工河道边滩演化规律——以南充西河为例

张兴泽 舒成强 段 潘

(西华师范大学国土资源学院，四川 南充 637009)



基于粒径分析方法探索人工河道边滩演化规律
——以南充西河为例

张兴泽 舒成强*段 潘

(西华师范大学国土资源学院，四川 南充 637009)

为探索人工河道边滩的演化规律，从粒径分析角度出发，对流经南充市区的西河河段(西河体育公园至西河入江口)进行采样分析。粒径分析实验后得到各边滩的中值粒径、概率百分比、河流弯曲系数以及流速四者的数据。对数据进行分析，结果显示：边滩所处的河段的河流弯曲系数相同时，流速越小，中值粒径越细，概率百分比越大；河流弯曲系数相同时，若流速逐渐变小，则概率百分比曲线逐渐向右移动；中值粒径粒级的跳跃需要能量的积累或下降一定范围，而且其粒径的粗细和概率百分数对流速的改变非常敏感，不是简单的线性关系；河流界位于河流10～11号取样点之间。此规律对于设计人工河道以及人工河道整治具有一定的指导作用。

边滩；中值粒径；流速；概率百分比；人工河道整治

沉积物粒度是衡量沉积介质能量和沉积盆地能量的一种代用指标[1-2]。前人[3-6]通过研究深海沉积物、冰芯、黄土、湖泊等类型沉积物的粒径特征来研究沉积环境以及区域气候环境、水动力条件的变化，已经取得了大量成果。Maizels[7]利用泥沙——粒径水力学法，总结了估算古流速的方法。Baker[8]根据古沉积与古河槽形态研究了西伯利亚中南部阿尔泰山晚更新世以来的古水文状况并估算了其不同时期的古流量。Komer[9]根据泥沙等粗颗粒沉积物的分析来研究古洪水的流量。但是，关于人工河道中边滩沉积物的研究却相对较少。本文从河流边滩沉积物的粒径特征、河流弯曲系数等方面着手，重构河流在人工干预下边滩的演化方式和演化结果，反演人类活动影响下的河流沉积环境。研究结果对于进一步的定量研究和建立数学模型有重要作用。

1 研究区概况

南充市位于四川省东北部、嘉陵江中游，市辖3区5县、代管阆中市。南北跨度165km，东西跨度143km。东邻达州市，南连广安市，西接遂宁市、绵阳市，北达巴中市、广元市，总面积12479.96 km2。西河位于四川省南充市境内，是嘉陵江南充段的一级支流。西河干流发源于南充市西充县太平乡壁山垭东南，流经西充县、嘉陵区以及顺庆区，在南门坝处汇入嘉陵江。西河全长110km，流域面积达796km2，南充段长约为14km[10]。西河多年平均流量为6.3m3/s，平均比降为1.75‰[11]。该河段河谷两岸边坡是红层丘陵堆积地貌，阶地高程在266～267米之间变化，常年枯水位在260～262米，河底高程为258.5～261.5 m[12]。本文研究的河段全长约为6.4km，两边河堤全为人工加筑(除开河流西岸末端未加筑人工堤坝)，见图1。因为河床受人为影响较小，所以认为研究区域内河流的曼宁糙率系数是一致的。虽然研究的区域不大，但是边滩类型丰富，包括顺直边滩、凹岸边滩以及凸岸边滩。边滩沉积物大部分是由水流挟带而来，而少部分是从两岸边坡落下的坡积物。

图1 研究区区位图和取样点概况

2 实验数据和方法

2.1 河流弯曲系数ka

河流弯曲系数的计算公式：ka=L/l。

L—河段的实际长度；l—河段的直线长度；ka—河流弯曲系数。ka越大表示河段越弯曲。

2.2 河段类型和边滩类型的划分

常规的河段类型的划分方法：当ka>1.3时为弯曲河段，当ka<1.3时为顺直河段。河流弯曲系数的测量结果如表1所示，结合研究区域的实际情况，对这种分类方法加以改进：当ka>1.1时为弯曲河段，当ka<1.1时为顺直河段。所以，只有1～3号取样点处于顺直河段，而其他取样点则位于弯曲河段。

边滩类型的划分：河段类型不同所形成的边滩的几何形态也不同。根据具体的位置和成因可以分为以下3类：顺直边滩、凹岸边滩和凸岸边滩。(1)顺直边滩：位于顺直河段，受到旋转方向相互交替改变的次生环流的作用而形成。(2)凹岸边滩：位于弯曲河段的凹岸，无横向环流作用，因水动力作用的逐渐减弱而沉积形成。(3)凸岸边滩：位于曲流河段的凸岸，横向环流作用而形成。

表1 ka分布概况

2.3 数据采集和处理

2.3.1 数据采集

样品于2015年6月取自南充西河从西河体育公园至入河口段的各个边滩。取样点位于各个边滩的边缘5cm处，此处受河流水动力改造影响大，受人类的影响小，而且方便取样。利用环刀在各点取样，将样品封装在聚乙烯样品袋中，运回实验室等待处理。

据取样点概况图所示：根据上述取样方法，在顺直边滩取得1～3号样品；凹岸边滩沉积规模较大，在边滩边缘取样，得到4～8号样品。凸岸边滩取得9～10号样品。在被改造的凸岸边滩处取得11～14号样品，一共取得14个样品。依次在取样点处附近用流速仪测得流速并记录。

2.3.2 实验室操作和数据处理

预处理：排除生物碎屑和塑料碎片等与本研究无关的影响因素。

实验操作：从每个样品中取等量沉积物放入铝盒，首先倒入蒸馏水和10%的过氧化氢去除样品中的有机质，10%的盐酸去除无机碳后静止24小时[13],倾倒土壤浸出液。将铝盒放入105±2℃烘箱中烘干10小时后用筛析法进行分析，得到各粒级的数据。

2.3.3 数据处理

中值粒径是指累积曲线上颗粒含量为50%处对应的粒径[14]，较好地反应了边滩的总体沉积特征，可以代表边滩的沉积特征。流速是影响边滩沉积特征最直接的因素。概率百分比与中值粒径密不可分,也是评价边滩沉积特征的重要指标。所以，以取样点的编号为x轴，中值粒径、概率百分比、流速为y轴作图(图2)，可以对边滩沉积特征进行比较全面的分析和讨论人工河道的边滩演化顺序。

图2 中值粒径和其概率百分比以及流速在不同取样点处的关系

3 各类边滩成因和沉积特征分析

3.1 顺直边滩

3.1.1 顺直边滩成因

顺直河段中搬运的沉积物，因旋转方向相互交替改变的次生环流作用而形成在两岸形成沿河岸的边滩。

3.1.2 沉积特征分析

1号取样点：中值粒径φ=2，粒径偏粗，其概率百分比超过55%。2号取样点：中值粒径φ=3，粒径变细，其概率百分比降低。3号取样点：中值粒径φ=3，概率百分比继续降低至26%左右。1～3采样点处于顺直边滩，河流弯曲系数ka=1，所以其基本不受河流弯曲程度的影响，只是取样点处流速以及中值粒径的概率百分比不相同。

折线图显示：φ值上升，中值粒径先变细后相同，概率百分比则一直下降，流速先快速减慢后略有加快。开始，流速快速下降导致φ值快速升高和概率百分比的快速下降，后流速上升，中值粒径保持不变，但是由于水流速度的加快导致粒径的概率百分比继续下降。结论：河流弯曲系数相同时，流速越小，中值粒径越细小，概率百分比越大。

3.2 凹岸边滩

3.2.1 凹岸边滩成因分析

关于凹岸边滩的成因，张春生等人[15]在室内沉积模拟实验的基础上提出：因抵岸作用形成的低能量分流带的作用，才导致凹岸边滩形成。曹耀华[16]指出：控制凹岸边滩的本质因子是水流动力轴线的迁移。当水流动力轴线偏离凹岸，其离心力方向与河弯方向相反时，则在凹岸形成弱水区或回流区，泥沙在此大量堆积，形成凹岸边滩。综合考虑上述结论：由于河岸或者心滩的阻挡作用，使河流水动轴线发生改变，从而导致泥沙的沉积位置发生改变(图3)。但是，每个凹岸边滩的沉积模式不一定相同。

虽然这里研究的是典型的凹岸边滩，但是，其形成原因却不与上述的凹岸边滩相同：首先，测量其凹岸、凸岸的水深后发现，凹岸水深小于凸岸。在凸岸边滩的形成模式中：受惯性离心力的作用，凹岸发生雍水，是整个横向环流最重要的一步。此处有惯性离心力却没有发生雍水，所以不会形成凸岸边滩。再者，河水会在经过弯道之后向凹岸方向流动，因为水流速度不快而且在逐渐降低，所以沉积物会逐渐沉积下来，植物的生长使凹岸边滩更加稳定，而且继续发育。

3.2.2 沉积特征分析

4号取样点：中值粒径φ=3，其概率百分比在40%左右。5号取样点：中值粒径φ=3，粒径不变，其概率百分比降低。6号取样点：中值粒径φ=4，粒径变细。7号取样点：中值粒径φ=5，粒径变细，其概率百分比上升。8号取样点：中值粒径φ=5，粒径不变，其概率百分比上升。

折线图显示：φ值开始不变后来上升，中值粒径开始不变后来变细，概率百分比开始时逐渐上升后来快速下降最后逐渐波动上升，流速则一直减慢。流速一直减慢导致粒径由粗变细，中值粒径粒级的跳跃需要能量的减弱，但是，没有积累到一定值是不会发生粒级的跳跃，所以中值粒径一开始没有改变。中值粒径发生跳跃之后，其概率百分比发生了大幅下降，概率百分比对流速的变化十分敏感。但是值得注意的是，虽然中值粒径发生跳跃，粒径变细，但是概率百分比却没有和之前一样下降，反而逐渐上升。说明流速对概率百分比的影响是非常复杂的，不是简单的线性关系。结论：中值粒径粒级的跳跃需要能量的积累或下降一定范围，而且其粒径的粗细和概率百分数对流速的改变非常敏感，不是简单的线性关系。

图3 凹岸边滩示意图

3.3 凸岸边滩

3.3.1 凸岸边滩成因分析

水流经过弯道时，保持着原来的惯性不变，表层水流受到惯性离心力的作用，从凸岸流向凹岸，使凹岸发生雍水。连续弯曲河道弯顶水流纵向最大流速点位于上部水面以下，整体分布上大下小[17]。所以，随着流速的降低，其惯性离心力也将降低。河流两岸水面存在高差，所以会产生恒定的压力差。在水流底部，压力差的大小大于惯性离心力的大小。因此，水流在底部是从凹岸流向凸岸。这样就构成了一个完整的横向环流，使得凸岸边滩形成。

3.3.2 凸岸边滩沉积特征分析

9号取样点：中值粒径φ=5，其概率百分比在47%左右。10号取样点：中值粒径φ=5，粒径不变，其概率百分比略有上升。

折线图显示：9～10号取样点流速逐渐降低，φ值上升。为方便考察各边滩之间的关系，用样本9、10号的数据作图(图4)。

图4显示：第一个边滩的波峰出现在φ=3附近，第二个边滩的波峰出现在φ=3～3.5之间。曲线总体呈单峰型，但是根据其趋势可以看出沉积物的分选并不是很好。随着流速逐渐下降，河流挟沙能力也逐渐下降，使得整个波形逐渐向右移动。结论：河流弯曲系数相同时，若流速逐渐变小，则概率百分比曲线逐渐向右移动。

图4 各边滩粒径概率百分比曲线

3.4 受影响的边滩

3.4.1 边滩沉积特征和成因分析

河流末端有两个凸岸边滩，其中有一边滩面积相对较大，约为0.1687km2，远远大于上游的凸岸边滩，所以仅仅凭河流的横向环流是无法实现的。11～13号取样点的φ值先降低后不变，流速曲折上升，概率百分比先快速下降后略有上升，14号取样点继续这种趋势。从曲线的趋势来看，中值粒径没有保持当前的粒径或继续变细，而在11～13号取样点处却转而逐渐变粗，实测的流速与中值粒径的变化趋势也明显不吻合，证明这是“受影响的边滩”。边滩位于入江口附近，而嘉陵江流域经常发生洪水[18]。江水有时会倒灌进入河流，故推测是江水的倒灌使其沉积特征发生了变化。水流倒灌产生的改造作用(不是泛滥平原的沉积特征)：流速逐渐降低，使沉积物的中值粒径向上游方向逐渐变细。

3.4.2 河流界

潮流界是指潮水所能达到的上界[19]。即，涨潮时，涨潮流倒灌进河道并且上溯到一定的距离后，其流速为零时达到的最远断面，也就是潮水能改造河流沉积物特征能达到的上界。同样，对于河流入河口处也应当有相应的界线。河流界指的是干流对支流的影响作用所能达到的上界。从粒径特征来看，河流界的确定不应该从流速着手，因为河底地形复杂且受到干流影响很大，流速为0的断面在支流位置并不是固定的。而应该从沉积特征的角度出发，考虑了时间上的跨度，排除了偶然性。中值粒径是干流和支流相互作用的结果，故将其作为指标来确定河流界是比较科学的方法。从图2中不难看出取样点11～14之间河流中值粒径的变化趋势与之前的趋势相反，所以，河流界应该位于10～11取样点之间。

4 结论

4.1 人工河道边滩演化规律

经过分析可以得到以下规律：河流弯曲系数相同时，流速越小，中值粒径越细，其概率百分比越大；河流弯曲系数相同时，若流速逐渐变小，则概率百分比曲线逐渐向右移动；中值粒径粒级的跳跃需要能量的积累或下降一定范围，而且其粒径的粗细和概率百分数对流速的改变非常敏感，不是简单的线性关系；河流界位于10～11取样点之间。

4.2 规律的应用

长期的外源污染输入和内源污染堆积和人类活动的干预使得河流生境恶化和生态系统退化，无法完成污染物的净化，导致污染物不断积累，水质恶化并产生黑臭现象[20]。

根据上述规律：入河口附处绝对不能设置排污设施，否则由于河流界的存在，导致河水的流速减慢，污染物逐渐沉淀下来，最后反而成为污染源。在设计人工河道时根据河水的流速和河道的宽窄程度，对河道的弯曲系数进行设置， 以达到使泥沙淤积量减少等目的，也可以基于此建立相关的数学模型，来精确调控河流泥沙淤积的方式和结果。

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Exploring the rules of evolution of artificial river side beach based on particle size analysis——Taking Xihe River Nanchong City as a case

Zhang Xingze，Shu Chengqiang*，Duan Pan

(College of Land and Resources, China West Normal University, Nanchong 637009, China)

In order to explore the evolution rules of artificial river side beach from the point of view of particle size analysis, sampling was carried out in Xihe River flowing through Nanchong City, including river section from Xihe Sports Park to estuary. The median particle size, probability percentage, river bending coefficient and flow velocity data of each beach were obtained after particle size analysis. The results show that as the river bend coefficient of the river bank remains the same, the smaller the flow rate, the finer of the particle size for the median diameter group and the greater for the percentage of probability; While the river bending coefficient remains the same, the probability percentage curve gradually moves to the right, and the pattern gradually evolves from the bimodal type to the unimodal type, if the flow rate becomes smaller. The jump of the median particle size requires the accumulation or descent of the energy to certain degree. The river boundary is located between the sampling point 10 to 11. The rule found in the study can serve as guidance both for the design of artificial river and dredging of waterway of artificial river.

river side beach; the median particle size; flow velocity; probability percentage; dredging of waterway of artificial river

四川省教育厅重点项目(17AZ0380)，西华师范大学博士启动项目(14E003)

2017-02-21; 2017-03-28 修回

张兴泽(1996-)，男，浙江温岭人，本科在读。E-mail：zhang_ouc@163.com

舒成强(1977-)，男，四川崇州人，副教授。研究方向：第四纪地质，环境地质。E-mail：shu_chq128@126.com

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