黄河下游游荡型河段床面形态变化特征

张原锋 王平

摘要：床面形态是水流阻力及泥沙输移的重要组成部分。利用床面形态控制数及床面形态判别方法，结合黄河下游花园口河段多波束水下三维地形及河床纵剖面资料，研究发现黄河下游游荡型河段床面形态主要表现为沙垄、过渡及动平整。当流量逐渐增大时，床面形态逐渐由沙垄向过渡、动平整方向发展。天然条件下，当流量小于1500m3/s时，床面主要表现为沙垄，床面形态的波长与波高之比平均为550；当流量大于2000m3/s时，床面形态主要为动平整。在持续冲刷条件下，当流量小于1500m3/s时，床面形态表现为双尺度沙垄，即波高为0.2～1.2m的小尺度沙垄叠加在波高为2～3m的大尺度沙垄的迎水面与背水面上。

关键词：动平整；双尺度沙垄；床面形态；游荡型河段；黄河下游

中图分类号：TV147；TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.002

黄河下游高村以上河段是典型的游荡型河段，水流宽浅散乱，摆动频繁，河槽易淤善冲，沙洲发育。小浪底水库修建前，黄河下游花园口河段1965-1999年床沙及悬移质平均中值粒径分别为0.094、0.021mm。小浪底水库拦沙运用后，河床持续冲刷、粗化，目前花园口河段的床沙中值粒径约为0.2mm。黄河下游为典型的冲积性河流，不同学者对其床面形态特征有很多争议。VanrijnL-C.认为对于床沙粒径小于0.1mm的冲积性河流，一般不会出现沙垄，床面表现为动平整，或者表现为具有光滑床面或沙纹的大尺度沙波：VandenbergJ.H.等则提出当泥沙粒径参数D*（可由泥沙中值粒径、黏性系数及泥沙密度求得）小于2时，床面不存在沙垄：BassJ.H.等利用床沙粒径分别为0.095、0.076mm的泥沙进行了系列水槽试验，在床面演变过程中没有发现沙垄：王士强认为在同样的床沙条件下，水深几十厘米（水槽试验水深）的水中不会产生沙垄，但是在水深较大条件下会出现沙垄。黄河下游花园口河段曾观测到沙垄的存在，沙垄波高一般不超过2m，波长一般为数百米，有时也超过1km。由于当时的观测条件及观测精度较差，对黄河下游床面形态基本特征仍未有清晰且统一的认识，因此笔者所在团队于2016年利用多波束超声测深系统（MBES）在黄河下游花园口水文站附近进行了床面形态的系统观测，并对其床面形态特征及变化过程进行了深人研究。

1 花园口河段床面形态观测

黄河下游含沙量大、河道地形复杂，床面形态观测十分困难。花园口河床演变测验队于1959年在花园口水文站（基）附近约6km的相对顺直河段内，利用划子（小船）、测深杆等自上而下进行了主槽纵剖面观测，水流方向相邻两测点距离约为20m。观测期间，花园口水文站流量为600～2200m3/s，含沙量为10～52kg/m3，床沙中值粒径为0.085～0.130mm。3次观测分别获得了18、12、15条主槽河床纵剖面数据，可用于床面形态特征及变化的初步分析。

2016年7月，在花园口水文站测流断面以上河段，利用R2Sonic2024宽带多波束超声测深系统，在主槽中观测了宽60～80m、长4000m范围的水下地形。MBES的T作频率分别为200、400kHz，沿垂直航迹方向波束宽度角分别为140°、165°，最大测深为500m，精度为6mm。观测期间，花园口水文站流量为670～1200m3/S，含沙量小于1kg/m3，床沙中值粒径为0.2mm左右，获得了3次三维水下地形数据。

2 床面形态几何特征

室内试验表明，床面形态按照水流的能态可分为低能态（平整、沙纹、沙垄）、过渡及高能态（动平整、逆行沙波、急滩与深潭）。低能态床面形态水流强度小、输沙能力弱，高能态床面形态水流强度大、输沙能力強。大型河流床面形态往往表现为其中的几种。黄河下游花园口河段的床面地形观测表明，其床面形态主要表现为沙垄.过渡及动平整等。

2.1 天然条件下床面形态几何特征

1959年观测到的花园口河段河床纵剖面基本上可以反映天然条件下黄河下游的床面形态。由图1（a）可知，在流量为600～1000m3/S的条件下，花园口河段1959年4月的床面形态为明显的沙垄，波高一般为1.3～2.9m，平均为2.2m；波长为200～1600m，平均为900m；沙垄背水面倾角较小，一般小于3°，平均为0.90：沙垄波长与波高的比值一般在160～600之间，平均为380，明显大于密西西比河及室内试验的数值（10～100）。

当花园口站流量大于1500m3/s并逐渐增大时，沙垄尺度开始减小并逐步向动平整床面形态发展。图l（b）为花园口河段1959年9月流量2160～2520m3/s时的河床纵剖面，可以看出小流量时的沙垄基本消失，只有局部地方出现起伏，床面基本表现为平整状态。

2.2 河道持续冲刷条件下的床面形态几何特征

小浪底水库蓄水运用后，黄河下游河道持续冲刷，床沙粗化。截至2016年，黄河下游游荡型河段主槽河床平均降低2.5m。2016年7月，利用多波速超声测深系统在花园口河段进行了三维水下地形观测，结果表明：在小流量、含沙量较低的条件下，床面形态为发育的双尺度沙垄，即在大尺度沙垄的迎水面及背水面上叠加了小尺度沙垄。图2为2016年7月7日花园口河段主槽纵剖面，该剖面由三维地形图沿主槽中心线切割而成，相应的花园口站流量约为1200m3/S，含沙量为0.5kg/m3。从整个观测河段来看，床面为十分发育的大尺度沙垄，沙垄波高1.2～2.6m，平均为1.9m；波长800～1300m，平均为1035m，波长与波高比平均为550，平均背水面倾角为0.4°。由图2（b）可知，局部迎水面及背水面河段的床面为明显的小尺度沙垄，波高为0.2～1.2m，波长为10～30m，小尺度沙垄与其他河流的沙垄较为相似。可见，黄河下游花园口河段小流量时的床面形态表现为明显的双尺度沙垄。

3 床面形态几何尺度关系

影响床面形态几何尺度的因素很多，Vanrijn.C.认为主要有水深、泥沙粒径及摩阻流速。黄河下游为典型的强冲积性河流，床面形态随水沙条件的变化调整迅速。一般情况下，流量由小到大再由大到小，床面形态表现为低能态一高能态一低能态的发展过程。黄河下游床面形态实测资料表明，当床面为沙垄时，波高随波长的增大而增大。随着波长的继续增大，沙垄消失，波高开始减小，直至床面达到动平整状态时波高趋于零，见图3。室内试验的床面形态规模尽管远小于黄河下游的，但是波高随波长变化的趋势基本一致。

由图4、图5可以看出，在流量大于1000m3/s时，黄河下游花园口河段床面形态的波高、背水面倾角随着流量的增大呈减小趋势。而当流量在400～1500m3/S之间时，黄河下游床面形态的波高基本在2～3m，沙垄背水面倾角为1.5°～3.0°，为较发育的沙垄：当流量大于2000m3/S时，波高减小至1m以下，沙垄背水面倾角减小至0.02°以下，甚至为0；波长与波高比大幅度增大，沙垄趋于消失，床面处于过渡或动平整状态。GuyH-P.等在实验室条件下的试验资料表明，当床面进人过渡区或动平整时，弗劳德数（Fr）在0.6以上，而黄河下游流量在2000m3/S左有时的Fr为0.4～0.6，黄河下游床面进入过渡区或动平整状态的Fr明显比相应试验条件下的小。

4 黄河下游游荡型河段床面形态基本特性

流经床面沙垄的水流往往在波峰处产生分离，过流断面突然扩大，并在波谷区产生紊动涡旋，然后在沙垄迎水面上重汇。基于这种分离一重汇模式，VerbanckM.A.引人床面形态控制数的概念进行床面形态及水流阻力的研究，床面形态控制数为式中：m为床面形态控制数，m=l时水流阻力最小，相应的床面形态为逆行沙波或沙纹，m=2时对应的床面形态为完全发育的沙垄；s为水流能坡；Frc.为通用弗劳德数，对于野外河流，Frg可简化为Fr（Fr=V//gh，v为流速，g为重力加速度，h为水深）。

与曼宁糙率n的计算公式相比，m与n包含的因素相同，均为流速、能坡及水深等，m中s、h的指数较小。m与n均为反映水流阻力的参数，但是在小流量特别是在沙纹床面时，曼宁糙率往往较大，甚至大于沙垄床面的，与实际不符。因此，采用m反映水流阻力较为合理，且m为无量纲参数，物理概念明确。张原锋等基于王士强和White提出的高能态区与低能态区的分界线关系，提出了表征床面形态的参数mh；式中：Dso为床沙中值粒径；χ为指数，取-0.24。

式（2）中mb反映的是床面形态特征，前文m反映的是水流阻力，因此m-mh，关系可反映水流阻力对床面形态变化的响应过程。图6为利用GuyH-P.等粒径为0.2～0.3mm的室内试验资料点绘的m-mb关系（数字为SimonsD.B.等提出的床面形态编号：2为沙纹，3为沙垄，4为过渡，5为动平整，6为逆行沙波，7为碎波，8为急滩与深潭）。为了减少试验水槽壁面对床面形态及水流结构的影响，图6中仅挑选了宽深比大于3的资料。由图6可知，在沙纹阶段，mb小于2，m小于1.5：mb增大到2左有时，m逐渐增大并达到最大值，床面形态由沙纹逐渐发展为沙垄并完全发育，水流阻力达到最大；随着mb进一步增大至4左右，沙垄逐渐变弱、消失，床面进入过渡区，m则逐渐减小，水流阻力减小；当mb达到5左有时，m接近1，床面基本为动平整或逆行沙波；mb继续增大，床面形态进一步发展为碎波、急滩与深潭。图6基本揭示了沙紋一沙垄一过渡一动平整一逆行沙波一碎波一急滩与深潭的床面发展过程，并反映了阻力先增大后减小的变化过程。因此，mb能够表征床面形态的基本特征。

图7为由1959年黄河下游实测资料点绘的m-mb关系（图中数字为实测床面形态的波高）。与图6相比，图7中没有随着mb的增大m逐渐增大的阶段，也就是说黄河下游几乎没有沙纹的存在，在流量较小时床面形态以沙垄为主。当床面由沙垄向高能态区发展时，m与mb的变化规律与图6基本一致，由于黄河下游含沙量高、泥沙粒径小，因此同样床面形态对应的mb值与室内试验相比偏大。当mb小于4时，床面形态波高一般在2m及以上，主要为沙垄：当mb为2左有时，沙垄最为发育，相应流量为1000m3/S左右；当mb大于6时，床面形态波高一般为0.5m左右，波长超过2000m。尽管按照几何尺寸定义，这时的床面形态应为沙垄，但是从水流阻力变化特征来看，此时的动床阻力最小，明显不同于实验室沙垄的阻力特征。因此，从动床阻力特征角度来讲，黄河下游这一阶段的床面形态应为动平整，相应的流量为2000m3/S左右。当流量继续增大时，在局部河段、局部位置也可能出现逆行沙波或碎波等高能态床面，但是这种形态很不稳定，整个床面仍以动平整为主。

5 结语

（1）黄河下游游荡型河段床面形态特征明显，流量逐渐增大时床面形态逐渐由沙垄向过渡、动平整发展。天然条件下，流量小于1500m3/S时床面形态主要表现为沙垄，流量大于2000m3/S时床面形态主要表现为动平整。

（2）持续冲刷条件下，流量小于1500m3/S时床面形态表现为双尺度沙垄。大尺度沙垄平均波高1.9m，平均波长1035m，平均波长与波高之比为550；小尺度沙垄叠加在大尺度沙垄的迎水面与背水面，波高0.2～1.2m，波长10～30m。

（3）床面形态的波长与波高之比远大于其他河流的，平均为550。沙垄背水面倾角较小，一般小于3°。