监利水文站沙质推移质变化特性及估算方法

唐剑 谢静红 单文辉 刘天勇

摘要：为了探求沙质推移质在监利水文站断面输沙量占比变化与运动规律，对2009～2019年监利水文站的沙质推移质与悬移质输沙量进行分析，并给出了监利水文站沙质推移质的计算公式。结果表明：①监利水文站所在河段目前处于冲刷初期，沙质推移质输沙量与悬移质输沙量同频变化。②用沙质推移质与流量建立指数公式是目前计算推移质输沙量最简便合理的方法。③长江中游冲积河段监利水文站沙质推移质输沙量占悬移质输沙量的比例为4.0%～8.5%，均值为5.8%，这与上游160 km的沙市水文站（3.1%～12.4%，均值为6.2%）相似。

关键词：沙质推移质;悬移质;输沙量;监利水文站

中图法分类号：TV142.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.04.004

文章编号：1006 - 0081（2021）04 - 0025- 04

1 研究背景

河流泥沙输沙量应为悬移质输沙量与推移质输沙量之和。目前，我国悬移质输沙率测验手段与计算方法较为成熟，但是推移质输沙率测验存在测验仪器不完善、测验方法不成熟等问题。同时，推移质运动形式极为复杂，其泥沙脉动现象远比悬移质大得多。在监利河段，一次沙质推移质测验时间至少历时4 h，劳动强度大。目前推移质输沙率的施测方法虽然很多，但都存在不少问题，所以许多河流至今仍然缺少实测推移质沙量资料。同时，在悬移质输沙率测验中， 由于受采样器的限制，实测临底悬沙资料亦未可知。因此，以往在水利工程规划设计中计算总输沙量时，不仅未考虑临底悬沙，而且对推移质输沙量也予以忽略，或者采用一个固定的“推悬比”进行粗略估算。本文通过对监利水文站推移质测验数据进行分析，探求沙质推移质在监利水文断面运动特性，为三峡水库蓄水后长江中下游河道推移质变化研究提供科学依据。

2 基本情况

2.1 研究区概况

监利水文站位于东经112°38′，北纬29°42′，于1950年设立，1970年下迁至湖南省华容县洪山头镇，1975年迁回监利，1996年水位观测站迁往监利县城南，2010年迁往监利县鄢铺汽渡码头上游约1 300 m，站名更改为监利（二）站。监利水文站断面下游约95 km为洞庭湖与长江交汇处，使监利站水位-流量关系受回水顶托影响明显。监利河段受长江上游来水以及洞庭湖回水顶托的综合影响，河道断面变化较为频繁。监利水文站测验河段平面图如图1所示。

2.2 数据来源

本文主要采用监利水文站沙质推移质资料进行分析，沙市、枝城水文站推移质资料作为补充。推移质应包括沙质推移质和卵石推移质，沙市水文站和监利水文站2009～2019年均未施测到卵石推移质，本文所描述的沙质推移质为粒径小于2 mm的沙质推移质。流量测验采用ADCP走航测验，沙质推移质采用Y78-1型采样器测验。

3 荆江河段沙质推移质输沙量变化

表 1为枝城、沙市、监利3个水文站的沙质推移质输沙量统计结果。从表1可以看出：三峡水库蓄水以来，由于“清水”下泄，荆江河段沙质推移质基本呈逐年减小趋势。从各站年变幅来看，枝城站沙质推移质变幅最大，沙市其次，监利最小;从沿程变化来看，枝城至监利河段推移量沿程增加。同时，有关研究资料显示：荆江河段的悬移质输沙量持续减少，也进一步表明，沙质推移质输沙量与悬移质输沙量密切相关，符合推移质运动规律，推移质与悬移质可相互转化。就同一粒径组来说，在较弱的水流条件下表现为推移质，在较强的水流条件下表现为悬移质。清水下泄，悬移质来沙量急剧减少，推移质来沙量同样减少，在枝城站表现明显。沙市至监利河段，推移质变化不及枝城站变化剧烈。在悬移质补偿不及的情况下，势必冲刷河床。朱玲玲等[1]研究表明：三峡工程运用使荆江河段水量过程重分配，沙量在区域上及过程上的重分配，从而激发其河床的高强度冲刷响应，其中既有枯水位下降、断面窄深化、床沙粗化等常规响应，也有上荆江分汊河段“支汊冲刷发展”、下荆江急弯河段“凸冲凹淤”等异常响应。

1998～2019年，监利水文站径流量和悬移质输沙量呈递减趋势。1998年径流量为4 413亿m3，2016年减小到3 853亿m3，2006年径流量最小，为2 718亿m3。悬移质输沙量1998年为40 700万t，最小值出现在2016年，为3 290万t。2003年之前，径流量与悬移质输沙量呈同规律变化。但2003～2011年径流量与悬移质输沙量只在极少数年份呈相同的变化趋势。2011～2016年，径流量与悬移质输沙量变化规律大致相同，但悬移质输沙量变化幅度明显减小。

监利水文站目前处于冲刷初期，沙质推移质输沙量与悬移质输沙量密切相关。图2为2009～2019年悬移质输沙量与沙质推移质输沙量过程，除2011年外，悬移质输沙量与沙质推移質输沙量同步变化。

4 沙质推移质输沙率相关水力因素分析

20世纪30年代，Mavis等基于实测资料，用近底流速 Vb 来表示推移质输沙率要优于用切应力，这是因为近底流速更能反映作用于颗粒的水流条件。 Williams也曾通过试验得出水面流速Vs与输沙率的相关性要好于平均流速V。但由于Vb、Vs在量测上的困难及定义上的不准确性，使得这两个流速类指标在推移质输沙率的研究中未能得到广泛应用。然而在实际问题中，用得更多的是平均流速 V，存在水深校正问题。研究发现，对于固定的平均流速 V，当水深较小时输沙强度大，而当水深较大时输沙强度小[2]。这可以解释为当水深较小时，近底流速及流速梯度增大，从而输沙率增加。国内外学者在研究推移质输沙率时，大多采用平均流速V作为指标。事实上，佛汝德数也是经一定水深h校正的水流强度指标：

Fr =Vgh

采用与河底流速建立指数公式对枝城水文站2003～2007年沙质推移质输沙率进行拟合推求，采用与流量建立指数公式对2008～2017年沙质推移质输沙率进行拟合推求。采用与河底流速建立指数公式对沙市水文站2003～2009 年沙质推移质输沙率进行拟合推求，采用与流量建立指数公式对2010～2017 年沙质推移质输沙率进行拟合推求。监利水文站 2009～2017 年沙质推移质输沙率均采用与流量建立指数公式进行拟合推求。总体来看，3个水文站的沙质推移质输沙率随着流量（或流速）的增大而增大。多年实测资料证明：河底流速虽然与推移质强度相关，但测验难度较大，转子式流速仪贴近河底施测难度大，ADCP走航式在底部施测存在盲区，也无法施测河底流速。流速脉动河底亦大于水面，所以，从目前水文测验手段来说，获取河底流速难度较大。于是，考虑采用流量代表平均流速，当沙质推移质与逐日流量建立关系后，可获取逐日沙质推移质输沙率，即通过较少的测验次数获取沙质推移质输沙量。图3为2009～2019年监利水文站沙质推移质输沙率与流量的关系，表达公式为

Qb=1.594 149×10-9×Q2.609 19

式中：Qb为沙质推移质输沙率，Q为流量。

由于监利水文站受洞庭湖回水顶托影响明显，会出现大流量时水位高，断面平均流速小，沙质推移质输沙量少的异常情况，因此采用沙质推移质输沙率与流量建立关系的方法在受回水影响时存在缺陷。

5 沙质推移質占比分析

通过上述分析，沙质推移质运动机理复杂，监测困难，单次测验误差大，考虑通过一种估算方法，计算沙质推移质输沙量，为研究河流推移质变化提供科学依据。通过实测沙质推移质输沙量与悬移质输沙量比值资料来预估沙质推移质量，也是一种经常采用的方法[3]。表2～3列出了沙市、监利水文站沙质推移质输沙量与悬移质输沙量比值。

根据国内外一些大流域的水沙数据，不管流域产沙条件与河流水力输沙特性如何，推移质输沙量一律按悬移质输沙量10%计算（即总输沙量与实测悬移质输沙量的比值α为1.10 ）。在一般情况下，流域面积愈大，相对的干流坡度愈小，干流河道愈长，泥沙经过长距离输送并且不断分选造床，所以河床质中值粒径愈小。因此，在一般情况下，流域面积愈小，α值愈大;流域面积愈大，α值愈小。监利、沙市水文站所在流域面积较大，经计算，监利、沙市水文站总输沙量与实测悬移质输沙量的比值α均为1.06。监利水文站沙质推移质输沙量占悬移质输沙量的比例为4.0%～8.5%，均值为5.8%，沙市水文站沙质推移质输沙量占悬移质输沙量的比例为3.1%～12.4%，均值为6.2%。胡立等[4]认为螺山水文站沙质推移质输沙量占悬移质输沙量的比例为1%～4%。沙市、监利河段沙质推移质占比明显大于下游螺山水文站，显然不能忽略沙质推移质。图4为监利、沙市水文站沙质推移质输沙量占悬移质输沙量比例，趋势基本一致，2011年两站推移质占比均偏大。

6 结 论

利用2009～2019 年实测资料对监利水文站沙质推移质变化特性进行分析，得出以下结论：

（1）三峡工程运用后，引起了坝下游荆江河段水量过程重分配，沙量在区域及过程上也发生重分配，从而引起其河床高强度冲刷响应，监利河段目前处于冲刷初期，沙质推移质输沙量与悬移质输沙量同频变化。

（2）沙质推移质与流速相关性较强，采用沙质推移质与流量建立指数公式进行拟合推求，计算推移质输沙量是目前较为简便合理的方法。

（3）就沙质推移质输沙量占悬移质输沙量的比例而言，长江中游冲积河段监利水文站为4.0%～8.5%，均值为5.8%;沙市水文站为3.1%～12.4%，均值为6.2%。

参考文献：

[1] 朱玲玲，许全喜，戴明龙. 荆江三口分流变化及三峡水库蓄水影响[J].水科学进展，2016，27（6）：522-531.

[2] 张瑞瑾.评爱因斯坦关于推移质运动的理论兼论推移质运动过程[J].武汉水利电力学报，1965（4）：1-16.

[3] 张经之，胡煌煦.总输沙量与实测悬移质输沙量比值的计算及其应用[J].水力学报，1982（5）：38-42.

[4] 胡立，罗兴，曾文锦，等.螺山水文站沙质推移质运动特性分析[J].长江工程职业技术学院学报，2013，30（4）：28-29.

（编辑：江 文）

Variation and calculation method of sandy bed load at

Jianli hydrological station

TANG Jian， XIE Jinghong，  Shan Wenhui， Liu Tianyong

（Jingjiang Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission， Jingzhou 433400， China）

Abstract： In order to explore proportion variation and transport laws of sandy bed load at Jianli hydrological station，we analyzed sediment runoff of sandy bed load and suspended load at the Jianli hydrological cross-section from 2009 to 2019 and proposed a calculation formula of sandy bed load. The results suggested that： ① At present， river bed at Jianli hydrological station was in the early stage of scouring， and transport runoff of sandy bed load synchronized with suspended load. ②The exponential formula that displayed relationship between bed load transport rate and flow could be used to estimate sandy bed load reasonably and easily. ③Sediment runoff of sandy bed load accounted for 4.0% ～ 8.5%（an average of 5.8%）of suspended load at Jianli station， which was similarly to Shashi station （3.1% ～ 12.4% and an average of 6.2%） that was about 160km upstream.

Key words： sandy bed load; suspended load; sediment discharge; Jianli hydrological station