长江中下游分汊河道稳定性研究_夏细禾

收稿日期:1999-11-02作者简介:夏细禾(1963-),男,湖北咸宁人,长江科学院河流研究所高级工程师,硕士,主要从事河流泥沙及治河工程研究. 文章编号:1001-5485(2000)05-0009-03长江中下游分汊河道稳定性研究夏细禾1,颜国红2(1.长江科学院河流研究所,湖北　武汉430010; 2.长江水利委员会计划局,湖北　武汉430010)摘要:为了研究长江中下游分汊河道的稳定性,在总结其演变特点的基础上,分析了分汊河道赖以长期稳定的原因,并用河床自动调整理论和能耗最小假说来加以解释。

认为特定的来水来沙条件和汊道进出口节点的控制作用,使得分汊河道的能量分配可以通过向支汊输送一定流量来实现。

关　键　词:长江中下游;分汊河道;稳定性中图分类号:T V 81 文献标识码:A 1　分汊河道的演变特点长江中下游分汊河道一般都经历了江心洲并洲(或并岸),河道由多汊向少汊(或单一河槽)转化的漫长历史演变过程。

在这个演变过程中伴随着河宽的缩窄,主流摆幅的减小,滩槽相对稳定,逐渐形成目前较为稳定的分汊河道。

根据有关历史资料的记载和近期资料分析,长江中下游分汊河段演变的主要特点如下:(1)洲滩合并(或并岸),河道宽度逐渐束窄,河型由多汊型向少汊型(或单一河槽)方向转化;(2)分汊河道周期性演变的过程缓慢,主支汊交替的周期长,汊道的稳定程度较高;(3)汊道处于发展(或衰退)中的支汊,其速度大多数是较为缓慢的。

因此,长江中下游分汊河道的稳定性是较高的,特别是建国以来对主要崩岸地段实施了护岸工程,为分汊河道河势的进一步稳定,奠定了良好的基础。

2　分汊河道稳定性的主要因素2.1　水流输沙特性长江中下游城陵矶以下的分汊河道,洪水特性、径流的年际变化和年内分配基本相同,同时愈向下游愈加均匀,其比降基本上随流量的增加而增大,这就使得水流挟沙能力与含沙量是基本适应的。

因此长江中下游分汊河道主汊和支汊的流量与含沙量都随干流的增减而增减,其比降也是随整个河道比降增减而同时增减。

因而在大多数情况下主汊和支汊表现出同时的冲或淤,而不存在某一汊在长时段内单向地冲或淤。

从长时段和总体来看,发展的支汊冲的时间要多些,冲的量多些,淤得少些;衰减的支汊冲得少些,淤得多些。

这使得长江中下游分汊河道各支汊能够相对稳定,年际间分流比变化得非常缓慢。

这就是分汊河道赖以长期较稳定的水流输沙特性。

2.2　分流分沙特性在通常情况下,河槽的尺度与进入河槽的水量成正比,决定主槽、支汊地位的正是按进入河槽的相对水量多少来定,进入水量愈多,河流的生命力愈强,反之河流就会衰退或死亡。

长江许多汊道能保持百年以上的长期稳定,关键在于年内高、中水期较长,支汊能获得较大的分流比,而分沙比又小于分流比,也有利于支汊河槽的稳定。

2.3　节点的控制作用节点是分汊河道历史演变过程的产物。

它对分汊河道演变的影响主要体现在两个方面:第一,节点加快了江心洲的形成和稳定。

自江心洲并岸基本形成节点后,由于该处河宽较窄,遏制着其上段诸沙洲的下移。

当沙洲的位置较为固定以后,河床变化则表现为淤高滩面并刷深河槽。

由于与来水来沙条件相适应的主槽水流动力作用不断加强以及滩面和沟汊的淤积,加快了并洲并岸现象,并使分汊河道变得更为稳定。

第二,节点控制了分、汇流区主流的摆动,使各分汊河段具有相对的独立性和滞后性,从而增强了分汊河道的稳定性。

一般来说,上一分汊河段的出口节点即是下一分汊河段的进口节点,也有的分汊河段之间为单一段所连接,相邻的两个河段由于中间节点的控制作用,限制进口主流的摆动,使上游河第17卷第5期长　江　科　学　院　院　报V ol.17N o.52000年10月Journal of Yangtze River Scientific Research Institute Oct.2000段的演变不可能立即对下游河段产生影响,因而长江中下游分汊河道不存在一汊道变,下游汊道会立即变化的连锁反应,就是说节点使分汊河段演变各自具有相对独立性。

2.4　护岸工程的实施护岸工程的实施,增强了河道的抗冲能力,制止了主泓的摆动,稳定了岸线,对抑制分汊河道的变化及稳定河势起着重要的作用。

2.5　分汊河道与单一河道水力因素的比较丁君松进一步研究了分汊河道不能自由发展的原因。

根据他的研究,河道分汊后,两汊的水面宽(B)和过水面积(A)的变化,不可能是任意的,水面宽最多增加37%,过水面积最多增加13.4%。

也就是说B o<B m+B n≤1.37B o;(1)A o<A m+A n≤1.134A o,(2)式中:脚标o,m,n分别代表单一段、主汊、支汊的特征值。

同样可算得F r o<Fr m+F r n≤1.94F r o;(3)V o<V m+V n≤1.76V o;(4)H o<H m+H n≤1.66H o。

(5)可见,分汊河道并不是能得到充分自由发展的河道,它的各项水力因素的变化总是有限的,特别是分汊河道的展宽总是有限的。

这就使得分汊河道不可能向蜿蜒型方向发展,因此,河道是较为稳定的。

3　分汊河道较为稳定的理论解释3.1　分汊河道的自动调整机理长江中下游的分汊河道由于形成的历史时期不够长,河岸的抗冲能力较弱,当河道的来水量较大而来沙量较小(如大水少沙年的汛期)时,其结果是水流冲刷河岸,河道展宽,水流扩散,流速减缓,水流挟沙能力降低,上游来沙在江中落淤,形成江心滩,堆积的部位常位于河道的中部。

这是由于河道展宽的过程中,原流速较大的中间部位流速减小得较多,因而水流挟沙能力也降低较多,而两侧的流速减小得较少的缘故。

当河道展宽到一定的程度时,随着河床的淤积抬高,河道的水深减小,流速增大,水流挟沙能力逐渐增大,因此河道的淤积和展宽将逐渐停止。

此时因河道中部江心滩的高程较两侧高,河道中部的阻力较大,两侧水流流速的增率总是大于中部的,因而两侧的河床慢慢会从淤积转入冲刷,形成分汊河道的两支。

在经历几个漫滩洪水后,江心滩会进一步淤积抬高,形成江心洲,江心洲两侧的河床会进一步冲刷形成主、支汊。

在分汊河道形成的初期,江心洲一般较为散乱,为多汊河道,由于各汊的相对阻力不同及人为因素的影响,阻力较大的支汊,逐渐淤积衰亡(这是因为此时的分汊河道寻求的是整个河段的输沙平衡,当某一支汊阻力较大时,支汊内流速较小,水流挟沙能力较低,支汊就会淤积,随着支汊的淤积抬高,分流量更小,河道会进一步淤积,最后衰亡)。

这样江心洲就开始了并洲并岸的过程,在江心洲合并处一般形成河道的宽阔部位,而江心洲并岸处一般形成束窄段(节点),分汊河道由多汊型向少汊型方向转化。

随着节点的形成,节点的壅水作用使其上游的流速减小,水流挟沙能力降低,江心洲不断淤高发育,形成目前宽窄相间的较为稳定的分汊河道。

而边滩切割(或河漫滩切割)形成的江心洲,其河床调整过程是通过寻求阻力最小的途径来实现的。

在经历了分汊河道历史演变过程后,近期由于长江中下游特定的水流输沙特性(前面已述),一般情况下,支汊在汛期能获得较大的分流比,来沙量却相对偏少,支汊河床的流速相对较大,水流的挟沙力较强,支汊河道会有所冲刷;在枯水期支汊来水量较小,来沙量亦小,不会带来较严重的淤积。

处于发展中的支汊,常常冲刷量大于淤积量,处于衰退中的支汊则是淤积量大于冲刷量,但各分汊河道均未出现过单向冲刷或淤积现象,河道的纵向冲淤是基本平衡的。

这就是说,长江中下游河道经过长期的自动调整作用的结果是使来水条件与来沙条件基本适应,即达到了河道的纵向输沙平衡,从而使分汊河道朝着更为稳定的趋势发展。

3.2　分汊河道的河相关系河相关系通常存在两种:一种是相应于某一特征流量的河相关系,称之为沿程河相关系;另一种是同一断面相应于不同流量的河相关系,称之为断面河相关系。

显然,前者比后者要稳定得多。

如果选用宽深关系式BH= ,(6)水流连续方程Q=BH V;(7)水流阻力公式V=1n×H2/3J1/2,(8)以及水流挟沙力经验公式S=K(V3gH)m,(9)联解,可以求得如下关系式10长江科学院院报2000年J=16.17 0.4n2(S 8.49 0.73Q0.2)。

(10)将上式改写成以下形式Q0.2J=16.17 0.4n2S8.49 0.73,(11) (11)式左边即为河段的来水条件,右边S8.49 0.73为来沙条件,如该式成立,则反映河道的来水与来沙条件相适应,即河道达到了输沙平衡,反之河道则需进行自动调整。

3.3　能耗最小假说冲积河流自动调整作用的结果,不仅在于满足平衡的要求,而且还要使体系内部的能量趋向于按照一定的规律来进行分配。

有关这方面的文献较多,“能耗最小假说”就是其中的一种。

尽管这一假说的有效性已为很多人所接受,但其具体应用的形式却存在分歧。

目前有3种设想比较流行:第1种是张海燕提出的单位时间单位长度水体的能耗最小,即QJ=最小值;(12)第2种是杨志达提出的单位时间单位水体的能耗最小,即VJ=最小值;(13)第3种是单位时间单位床面上水体的能耗最小,即QJ/B=最小值。

(14)前面已述,式(11)反映的是河道的输沙平衡关系,公式左侧的来水条件仅仅与Q,J有关,也就是说为了达到输沙平衡,河道来水条件只需进行Q,J 的调整。

因此,对长江中下游河道纵向变化基本平衡的分汊河道,Q,J的变化可以反映河道的输沙平衡关系。

张海燕提出的单位时间单位长度水体的能耗最小,即式(11)正好与之相符,可以用来解释分汊河道稳定性的原因。

3.4　分汊河道稳定的理论解释根据能耗最小原理来解释分汊河道的稳定性时,首先必须注意到分汊河道的特殊性。

如前所述,分汊河道由于节点的控制,河道的横向摆动受到了很大的制约,因此它不可能象弯曲河道那样,通过增加河长,减小比降的方式来达到能耗最小,而是通过减小向支汊输送水量,即通过减小主汊流量的方式来达到能耗最小的目的。

不同流量下汊道分流比的变化恰好就能达到这一目的。

在枯水期流量较小时,通常河道的比降亦小,主汊不需要分配更多的水量,就能使水流能耗达到最小,因此支汊分流量通常较小。

在汛期流量较大,比降亦大,这时需要分配较多的水量到支汊,才能使水流能耗达到最小。

这就是分汊河道支汊在汛期能获得较多分流比的重要原因,也是分汊河道能维持稳定的重要因素。

另外大多数支汊处于正面引水的位置,根据“正面引水,侧面排沙”的原理,更多在河床附近运动的泥沙将引向主汊,使支汊的分沙比往往小于分流比,因此,分汊河道的支汊在汛期获得较大分流比的同时,分沙比却是较小的,这就是分汊河道主支汊能长期共存相对较为稳定的主要原因。

4　结　语长江中下游城陵矶至江阴1120km长的河段中有分汊河道41处,占总河长的71.3%。

在经历了漫长的历史演变后,分汊河道在平面形态的总体格局中基本不变。