造床流量法确定整治水位的适用性探讨

造床流量法确定整治水位的适用性探讨
王秀英１，王东胜１，赵梁明２
（１．中国水利水电科学研究院，北京１０００３８；２．南水北调中线干线工程管理局，北京１０００５３）
摘要：航道整治工程中整治水位的确定关系到工程的成败，以往采用的第二造床流量法在部分河段出现了确定值偏高的情况，但由于对该方法的理论基础、基本概念、适用条件认识不足，人们难以解释偏高原因。

文章以长江中下游航道整治工程为背景，从河床演变基本规律入手，分析研究了造床流量基本概念、计算方法的内在含义、应用实例及其存在问题，结果表明，造床流量法确定的整治水位偏高不是第二造床流量对应水位本身偏高，而是这一水位作为浅滩河段的整治水位不具有普遍性。

关键词：航道整治；造床流量；第二造床流量法；整治水位中图分类号：Ｕ６１７．６
文献标志码：Ａ
文章编号：１００２－４９７２（２００８）０７－０１１５－０６
ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆＢｅｄ－ｆｏｒｍｉｎｇＤｉｓｃｈａｒｇｅＭｅｔｈｏｄ
ｉｎＣａｌｃｕｌａｔｉｎｇＲｅｇｕｌａｔｉｏｎＷａｔｅｒＬｅｖｅｌ
ＷＡＮＧＸｉｕ－ｙｉｎｇ１，ＷＡＮＧＤｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ１，ＺＨＡＯＬｉａｎｇ－ｍｉｎｇ２
（１．ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３８，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎＢｕｒｅａｕｏｆＳｏｕｔｈ－ｔｏ－ＮｏｒｔｈＷａｔｅｒＤｉｖｅｒｓｉｏｎＭｉｄｄｌｅＲｅｕｔｅＰｒｏｊｅｃｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００５３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｃｈａｎｎｅｌｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｗｏｒｋｓ．Ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｅｘｐｌａｉｎｔｈｅ
ｒｅａｓｏｎｏｆｈｉｇｈｅｒｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｂｅｄ－ｆｏｒｍｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｌａｃｋｏｆｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓ，ｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄ．ＴａｋｉｎｇｔｈｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｗｏｒｋｓｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｎｄｌｏｗｅｒｒｅａｃｈｅｓｏｆｔｈｅＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒａｓｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔｏｆｔｈｅｂｅｄ－ｆｏｒｍｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔａｒｔｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｒｉｖｅｒ－ｂｅｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｉｎｔｒｉｎｓｉｃｍｅａｎｉｎｇｏｆｉｔｓｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｂｅｄ－ｆｏｒｍｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅｗａｓｎｏｔａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｔｏａｌｌｒｉｖｅｒｓ，ｂｕｔｏｎｌｙｐａｒｔｏｆｔｈｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈａｎｎｅｌｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ；ｂｅｄ－ｆｏｒｍｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｂｅｄ－ｆｏｒｍｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅ；
ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｗａｔｅｒｌｅｖｅｌ
河床演变不仅取决于来水来沙的绝对数量，而且还和它们的过程有关，可是企图在定量分析中考虑水量和沙量过程因素，在当前的研究水平下无法实现，为此前人引入了造床流量这一概念［１］。

造床流量法确定整治水位就是建立在造床流量理论基础之上，选择塑造中枯水河床形态的流量对应水位作为整治水位。

但是已经有大量工程
实践表明第二造床流量确定的整治水位往往比较高，长江中下游甚至高出设计水位５ｍ多。

刘建民［２］认为第二造床流量偏高是由水文站的河型与优良河段不相同引起的。

根据卢汉才［３］的分析，若采用优良河段来计算，所得到的第二造床流量对应水位与其边滩高程大体相同，接近于多年平均流量。

而水文站的河床比较规则，枯水水
收稿日期：２００８－０１－２２
作者简介：王秀英（１９７７—），女，博士，主要从事河流模拟、河道治理及河流生态方面的研究。

２００８年７月
第７期总第４１７期
Ｊｕｌ．２００８
Ｎｏ．７ＳｅｒｉａｌＮｏ．４１７
水运工程
Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００８年水运工程
深较大，多为深槽河段，年内冲淤变化与优良河段不同，有些站甚至相反，表现为“洪冲枯淤”，所以第二造床流量必然偏高。

他认为只有当水文站河段与优良河段的情况相同时才能按水文站的资料计算造床流量。

由于浅滩河段的边滩散乱低平，中低水冲刷作用小，不能采用浅滩河段的资料计算造床流量。

根据他们的分析，不是每个河段的资料都能够用于计算造床流量，只有优良河段才可以，而且优良河段第二造床流量、多年平均流量是一致的，其对应水位可以作为浅滩河段的整治水位。

刘建民和卢汉才对于第二造床流量对应水位偏高原因的认识方向是正确的。

实际上，他们提到的优良河段是指优良浅滩河段，那存在浅滩而不碍航的河段。

我们经过分析认为造床流量概念和确定方法特点决定其作为整治水位对于某些河段而言偏高是必然的，不是其本身偏高，而是这一水位作为整治水位是否合适。

本文从不同方面深入探讨了第二造床流量对应水位、多年平均水位与整治水位的关系，进而解释了造床流量法确定航道整治水位偏高的原因。

１造床流量与河床形态的关系
１）造床流量是从宏观角度，对长时段长河段来水量及其过程的概化。

河床以泥沙冲淤的形式对这一流量（即来流量及其过程）做出长期不断的适应性调整，并形成稳定的河床形态。

来水过程相同的河段，由于边界组成条件不同河床的自动调整作用各异会形成不同的河床形态。

因此确定造床流量时一方面要考虑来流量及其过程，另一方面应体现河床的自动调整作用。

每种河床形态均可通过一定反应来水量与其形态特点的关系和某一造床流量对应。

深槽河段具有深槽河段河床形态与其造床流量的适应关系，碍航浅滩河段亦有碍航浅滩河段河床形态与其造床流量的适应关系。

与这一认识类似，李福田等［４］认为，马氏方法所采用的ＱｍＪＰ式中，Ｑ，Ｊ，Ｐ主要反映水流作用，而ｍ则应反映河床的特性，即河床的抗冲能力，不同河流或同一河流的不同河段，其ｍ值也各不相同。

２）目前造床流量计算方法正是企图寻找河床对水流及其过程相适应的数量关系。

但具体河床形态的这种适应性关系与断面形态、边界组成、稳定性等众多因素有关，难以根据各异的河床形态准确确定造床流量，只能粗略地利用部分河床形态与来水及其过程的关系代表河段的综合情况。

３）深槽河段与优良浅滩河段不同，前者不存在浅滩或浅滩特性不明显，后者为不碍航浅滩河段，二者的冲淤规律，输沙特性等不同，造床流量与河床形态的关系也不相同。

而深槽河段对于通航而言是优良河段，如前所述其与优良河段特性没有确切界限，不存在本质差别。

造床流量与哪种类型河段的边滩高程对应要看造床流量确定方法主要体现了哪种河床形态的特性及泥沙冲淤规律，不可能一个造床流量和各种河段的边滩都对应。

４）造床流量法确定整治水位没有包含航道等级观念。

第二造床流量是由河段的自然属性决定的，与航道等级无关。

如果确定第二造床流量对应水位为整治水位，则不论将航道整治成何种等级，其整治水位都是一样的，明显不符合实际情况。

根据以上分析可知，第二造床流量对应水位与整治水位是两个相互独立的概念，当第二造床流量对应水位适当时可以作为整治水位，否则不能作为整治水位。

２造床流量计算方法分析
造床流量理论发展还不够完善，确定方法也不统一，第二造床流量作为整治流量也因此缺乏理论依据。

就目前分析来看，“第二造床流量对应水位与优良河段边滩高程相当”所以被用于确定整治水位，这一点与平滩水位法是相同的。

但是深槽河段与浅滩河段的冲淤规律、河床形态等不尽相同。

现有方法体现了哪种河段特性，与怎样的河床形态对应，需要进行更深入的分析。

１）浅滩碍航与否是相对的，航道等级要求高时浅滩就会碍航，要求低时可能就不会碍航，是优良浅滩河段，因此优良浅滩河段是一个相对概念，其对应边滩自然具有相对性。

但是河段的第
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・・第７期王秀英，等：造床流量法确定整治水位的适用性探讨
二造床流量对应水位是一定的，边滩高程也是一定的，不可能Ⅳ级航道标准时二者就接近，Ⅲ级航道标准时二者就不接近。

因此与第二造床流量对应水位接近的必然是不受通航等级影响的边滩高程。

２）从计算结果看，众多研究均表明［５］：第二造床流量是一个略大于多年平均流量的数值，在欧洲和西西伯利亚的大多数天然河流中第一造床流量相当于保证率为５％～１０％的流量，第二造床流量相当于保证率为２５％～５０％的流量，略大于多年平均流量。

即使刘建民等认为水文站河段第二造床流量不同于优良河段，其计算结果仍然与平均流量接近。

而在浅滩河段，这一流量往往高于边滩高程较多。

如图１中螺山站第二造床流量在２５０００～２８０００ｍ３／ｓ左右，实际工程中螺山附近河段的整治流量均低于１００００ｍ３／ｓ，整治水位与浅滩河段不碍航的优良时期边滩高程接近。

另外松花江下游分汊河道佳同段根据佳木斯站的资料计算得到的第二造床流量也较历年松花江采用的整治水位偏高较多。

这说明一般优良时期、优良浅滩河段边滩高程均低于第二造床流量对应水位，因此浅滩河段不论碍航与否，其边滩条件均与第二造床流量对应水位相去甚远。

３）从造床流量确定方法的理论基础进行分析。

马卡维也夫法确定造床流量时认为某一流量的输沙能力与流量Ｑ的ｍ次方及比降Ｊ的乘积成正比，因此认为当ＱｍＪＰ的乘积最大时所对应的流量造床作用最大。

ｍ可由实测资料绘制Ｇ
Ｓ
～Ｑ关系线确定。

这一做法在河床边界条件稳定的深槽河段是成立的，但是浅滩河段流量与输沙能力之间的关系比较复杂，不能够简单地以该方法推求造床流量，具体分析如下。

长江中下游水流挟沙能力与水流、泥沙要素之间的定量关系可表示为：
Ｓ＊＝Ｋ（Ｕ３
ｇｈω
）ｍ（１）
或Ｓ
＊
＝Ｋ（ｈＪ
３
２
ｎ３ｇω
）ｍ（２）式中：ｇ为重力加速度；ω为泥沙平均沉速；Ｕ为断面平均流速；ｈ为断面平均水深；ｎ为断面平均糙率。

在泥沙粒径特征变化不大的情况下，可以导出河段输沙能力的简化形式：
ＧＳ＊＝ＱＳ＊＝Ｋ１Ｑｍ１（３）由此可见，河床形态决定了河道自身的水文特点，也就是水深、阻力、水面坡降、流速等随流量的变化，同时也决定了河段输沙能力随流量
的变化。

式（３）中的指数ｍ
１
反映了随着流量变化，断面输沙能力的变化率，其值愈大，输沙能
力随流量变化越快、变幅愈大；而系数Ｋ
１
反映输沙能力的相对大小，其值小，说明河段输沙能力小。

式（３）说明了输沙能力与流量的关系，为马卡维也夫法提供了依据。

由于河床形态和水沙输移之间存在相互协调的平衡关系，因此，对某一个断面而言，上游来流量与来沙量之间应满足一定的关系。

上游所有河段形态的综合作用就体现在来流量与来沙量之间的关系上。

输沙率与来流量之间近似地满足指数关系：
Ｇｓ＝Ｋ２Ｑｍ２（４）
式中：系数Ｋ
２
和指数ｍ
２
可由实测资料率定。

可见上游来沙量随着流量的增大而增大，呈指数关
系；Ｇ
ｓ
是上游各河段综合输沙能力的体现，同时也是上游各河段形态的综合反映。

来沙量和河段输沙能力构成了河床演变中矛盾的双方，河流的各种自调整作用均是为了使二者达到协调。

当二者相适应时河段的冲淤条件好，河床基本处于冲淤平衡状态，ＱｍＪ能够描述输沙能力及水流造床作用；当二者不相适应时河床冲淤幅度较大，ＱｍＪ则不能有效代表水流造床能力，因为此时上游来沙量的作用不能由流量代表。

对长江宜昌—沙市河段实测数据进行分析，计算河段界于宜昌、新厂站之间［６］。

由图２可知，该
图１螺山站不同流量分级下的造床流量
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２００８年水运工程
河段ｍ
２
值应在３．２和２．３之间。

根据１９８０年地形，分别以宜昌、沙市为上下边界建立一维水流数学模型，以实测水位流量资料率定河段糙率之后，连续计算１９８１—１９８７年水流过程，输出典型断面的流量Ｑ及Ｕ３／Ｈ值。

计算过程忽略了地形冲淤变化。

图３是几个典型断面的示意图，从中可以看出，愈是恶劣的滩段，Ｑ与Ｕ３／Ｈ的关系愈不明显：关洲段水流漫滩前后还呈现出转折性特征，而沙市碍航浅滩段则散乱而毫无特征。

计算结果显示，在一般微弯河段Ｑ与Ｕ３／Ｈ呈良好的指数关系（图３ａ）），根据该指数可以计算各断面的ｍ
１
值，一般介于３．２和２．３之间。

而对于浅滩段，两者之间关系则呈现出不同的规律（图３ｂ），ｃ），ｄ））：①点据分布明显散乱；②挟沙力指标变幅减小，下限一般在０．１以上，而弯道段可达０．１以下；③指数ｍ１值减小，一般小于２．３以下。

图２长江宜昌、新厂站日均流量与输沙率之间关系（１９８１—１９８７年）
图３流量与挟沙力指标之间关系
浅滩河段输沙能力与流量之间的关系比较复
杂，不同于深槽河段。

深槽河段输沙能力与上游
来沙基本保持一致，ｍ
１与ｍ
２
比较接近，ＫＱｍ能够
很好地代表河段的输沙能力。

浅滩河段因上游来沙与河段输沙能力相差较大，来沙量与输沙能力之间不能很好地匹配而出浅，ＫＱｍ不能反映浅滩河段的输沙能力。

因此马卡维也夫方法所采用的来水量与造床作用的关系符合深槽河段特性，而
１１８・・
・・第７期
不能反映浅滩河段河床形态对来水量及其过程的自动调整作用。

要确定浅滩河段的造床流量不能单独考虑来水来沙量因素，也不能简单地考虑输沙能力。

某些浅滩河段随来水来沙条件变化，河床形态差别较大，没有稳定的边界条件，造床流量自然也不稳定，不同河床形态与水沙造床作用的适应关系相差较大，同时航道维护过程中浅滩河段人为干预程度高，天然造床过程受到极大的干扰，也给浅滩河段造床流量的确定带来困难。

由此可知现有造床流量确定关系主要反映了深槽河段水沙特性。

４）从部分断面形态看第二造床流量与边滩高程的关系，城陵矶—螺山河段部分断面形态如图４。

该河段第二造床流量约２６０００ｍ３／ｓ，对应水位２６ｍ左右，与边滩高程接近，略高于多年平均流量对应水位。

汉口站上游多年平均流量约２４０００ｍ３／ｓ，对应水位２１ｍ左右，螺山—汉口河段没有大型河流入汇，造床流量变化不大，为２５０００～２８０００ｍ３／ｓ，略高于多年平均流量，对应水位与深槽河段边滩高程接近（如图５）。

图４城陵矶下游附近断面图５汉口站上游断面
５）浅滩河段和深槽河段比降Ｊ随流量变化的规律相反，即在通航条件良好的河段，比降随流量增大而增大，但存在碍航浅滩的河段，比降则随流量增大而减小。

长江中游枝江—吴家港、涴市—陈家湾、砖窑—杨家垴均是通航条件良好的河段，其比降随流量的增加而增加；通航条件一般的河段如观音寺—郝穴河段，比降基本不随流量变化；通航条件较差的河段流量最大的月份水面比降最小。

比降随流量增加而减小使得浅滩河段汛期输沙能力减弱，但是各级流量Ｑ的ｍ次方与比降Ｊ的乘积并不一定会随流量增加减小，即Ｑ的ｍ次方的变化率往往大于Ｊ的变化率，ＱｍＪ的最终大小仍由流量决定，其与流量级的对应关系不会变化，造床流量也不会发生变化。

因此深槽
王秀英，等：造床流量法确定整治水位的适用性探讨１１９
２００８年水运工程
河段输沙能力随流量和比降增加而增加，但ＱｍＪ则无法反映浅滩河段输沙能力随流量增加而减小的特性。

就某些浅滩洪水期淤积、枯水期冲刷的特点而言，第二造床流量相当于起到冲刷造床作用，但目前方法无法准确获得浅滩冲刷时的水位。

３应用局限性分析
造床流量法的关键问题不是第二造床流量对应水位本身偏高，而是这一水位作为浅滩河段整治水位是否适合。

马卡维也夫方法计算得到的第二造床流量接近多年平均流量，其对应水位更接近于深槽河段的边滩高程，而不是优良浅滩河段，其他确定造床流量的方法也存在类似问题，因此该方法必然不适合某些浅滩河段。

浅滩河段的造床作用一方面与上游来水量关系密切，另一方面还受来沙量和断面输沙能力的影响，现有方法对于这一点的反映不足；浅滩河段即使优良浅滩河段，其冲淤规律也不同于深槽河段，输沙能力与流量的关系散乱，现有方法体现了输沙能力与流量关系良好的深槽河段输沙特性，自然第二造床流量对应水位更接近深槽河段河床形态，不会与浅滩河段边滩水位对应，更不能据此获得浅滩冲刷时的水位。

目前计算方法获得的第二造床流量对应水位相当于整治水位的最高上限值，用于确定河段最高通航等级对应的整治水位，无法根据通航等级的不同进行调整，也不能随浅滩冲淤规律及整治工程类型不同而变化。

因此第二造床流量确定的水位由其概念本身、计算方法等综合决定并不是每种浅滩河段都能以它作为整治水位。

所谓偏高不是这一水位高，而是河床演变特性、浅滩冲淤规律、航道等级要求等决定这一水位不适合作为部分浅滩河段的整治水位，高于可以改善通航条件的水位。

对于某些河段，其年内水位变化较小，深槽河段边滩高程与浅滩河段相差１～２ｍ，整治水位可以达到，航道条件也会更好；类似于长江这样的大型河流，深槽段与浅滩段边滩高程相差可达５ｍ以上，即第二造床流量确定的水位与浅滩河段边滩相差很大，优良河段边滩也较高，而优良浅滩河段或浅滩河段优良时期较低矮的边滩高程足以塑造出满足要求的航道尺度，在确定整治水位时则没有必要追求第二造床流量对应水位。

４结论
整治水位应选择浅滩河段冲刷较为迅速时的水位，同时又不能影响防洪，因此整治水位可能较高，影响汛期泥沙运动，也可能受到其他条件限制，采取低水整治而无法改变冲淤过程，只能靠汛后增大冲刷解决浅滩碍航问题。

以往研究对这一点认识较为模糊，导致方法使用过程中出现偏差。

第二造床流量对应水位与深槽河段边滩高程接近，相当于整治水位的上限值，用于确定浅滩河段最高通航等级对应的整治水位，无法根据通航等级的不同进行调整，其概念、计算方法等决定了该方法的局限性。

第二造床流量理论用于航道整治工程中主要是由于其对应水位与平滩水位较为接近，而这一平滩流量多是深槽河段边滩高程，即使优良时期浅滩河段边滩高程也较此值偏低。

边滩高程达到第二造床流量水平时已经能够影响到汛期河床冲淤，而不完全是靠落水期冲刷河床。

因此偏高不是这一水位偏高，而是其对于整治工程而言偏高。

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（本文编辑武亚庆）
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