下荆江河道水力几何形态的研究_黎明
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冲积河流处于平衡或准平衡状态时 , 河床形态与流域的来水 、 来沙及河床边界组成之间存在某种 定量关系 , 称为河相关系[ 1 , 2] .水力几何形态关系是河相关系研究中极为重要的一部分 .1950 年以 来 , 由于上荆江及洞庭湖四口水沙的变化及大型水利工程的修建 , 对下荆江流量与沙量均产生了较大 的影响 .下荆江河道整治在整个荆江防洪工程中占有重要地位 , 因此研究下荆江河道的河相关系对摸 清其河床演变的规律 、 科学整治下荆江河道有着重要的意义 .本文根据 1950 —1980 年下荆江监利姚 圻脑水文站的水文测量资 料[ 3] , 建 立水力几 何形态关 系式 , 研 究下荆江 河道的河 相关系 ;并根据 1950 —1980 年的实测资料 , 研究了下荆江河道水沙变化及其对水力几何形态关系的影响 .
监利姚圻脑水文站位于下荆江河曲调弦口分流下游(图 1), 其河型较为弯曲 , 河岸有江防大堤 , 右岸崩塌较为严重 , 有沙洲伸到堤边 , 左岸及河槽较为稳定[ 3] . 1.2 下荆江河道水沙的变化
1950 年来 , 由于洞庭湖四口河床泥沙的淤积与荆江上游水利工程的修建导致了下荆江河道水沙 的变化 .根据 1950 —1980 年的实测资料 , 将下荆江河道水沙变化分为 3 期 :1950 —1958 年(第 1 期), 1966 —1969 年(第 2 期), 1975 —1980 年(第 3 期).各期水沙要素的变化情况如表 1 .
第 6 期 黎 明 , 等 :下荆江河道水力几何形态的研究
7 11
曲河岸的约束 , 挟沙力较弱 , 泥沙往往沉积于河床上 , 使河床底部淤积速度较快 , 对下荆江河道的整 治带来了极为不利的影响 .
(2)下荆江河道的 m 值与 m/ f 值均较小 , 说明在同一流量频率下该河道的流速增加较小 , 并且 流量变化时其流速的变化比水深的变化小 .下荆江河道的水流受到下游洞庭湖出口水流的顶托作用 , 水面比降较小 , 虽然受江防大堤的制约水面宽度增加不快 , 水流在河槽中易于形成壅水 , 但由于洞庭 湖出口水流的顶托作用 , 下荆江河道的水流不能向下游迅速渲泻 , 因此使水深得以迅速增加而流速的 增加则要缓慢得多 , 洪水期下荆江河道的汛情也因此而加剧 .
根据 1950 —1980 年监利河段姚圻脑(图 1)的 1 194 组水文资料 , 按 5 年平均拟合出下荆江河道的
水面宽度 、 水深 、 流速与流量的关系(图 2), 并计算出下荆江河道的水力几何形态关系为 :
源自文库
B =630.413Q 0.064 U =0.047Q 0.553 H =0.036Q 0.383
(2)
(2)式中 B —Q , H —Q , U —Q 三个关系式的相关系数分别为 0.81 , 0.82 , 0.92 .
图 2 下荆江河道水面宽度 、 流速 、 水深与流量关系曲线 Fig.2 Curves of the Relationships Among Width , Velocity , Depth
0.36
0.3 4
0.805
0.944
0.38
0.33
0.2 7
1.152
0.819
0.13
0.41
0.4 3
0.371
1.049
0.16
0.30
0.5 4
0.533
1.800
0.28
0.18
0.5 4
1.556
3.00
0.20
0.51
0.3 0
0.392
0.588
注 :表中 b/ f 、 m/ f 的值均由 b 、 m 、 f 的值保留 4 位有效小数计算得出 .
1.41
7.87
1 195
12 500
从表 1 可以看出 , 下荆江河道的各期水沙要素大体呈递增的趋势 , 这主要由于受到四口的水沙变 化的影响 .自 50 年代以来 , 由于四口河床泥沙发生严重淤积甚至断流 , 其分沙分流量逐渐减少 , 因 而导致了下荆江来水来沙量的增加 .对比输沙率与流量的变化可以看出 , 下荆江河道输沙率与流量的 变化各期大致相同 , 流量的变化略小于输沙率的变化 .第 3 期与第 1 期相比 , 其流量与输沙率分别增 加了 34.46 %和 38.46 %.
流速 (m/ s)
水深 (m)
河宽 (m)
1950 —1958
29.1 2
10 570
8 421
1.22
7.87
1 046
输沙率 (kg/ s) 9 028
1966 —1969
29.8 4
13 702
10 105
1.28
8.65
1 158
11 375
1975 —1980
29.3 8
14 212
9 496
表 2 下荆江河道与世界上一些河流水力几何形态关系指数值的比较[ 2 , 7] Table 2 Comparison of Hydraulic Geometry Exponent in Low Jingjiang
River Stream Channel and Some Other Stream Channels of the World
7 10
西南师范大学学报(自然科学版) 第 25 卷
口分流的影响特别显著 , 在第 2 期到第 3 期间 , 该河道水沙变化虽然也受到沙滩子 、 上车湾等弯道裁 弯取直的影响 , 但却明显不如四口分流的影响显著 .
2 下荆江河道水力几何形态关系
2.1 下荆江河道水力几何形态关系的特征
1 下荆江河道特征及水沙变化
1.1 下荆江河道特征 下荆江河道南邻江南古陆 , 北依江汉平原 , 为第四纪强烈下沉的陆凹地 , 河道蜿蜒曲折 , 曲折率
达 2.03[ 4] , 有 “九曲回肠” 之称 .下荆江河道水文因素较为特殊 , 受下游洞庭湖出水的顶托作用 , 其回水范围影响整个下荆江[ 4] , 松滋 、 虎渡 、 藕池 、 调弦四口的分流作用对下荆江河道的水沙变化影 响较大 , 四口分流的流量占荆江流量的 24.4 %, 分沙量为 0.2 %[ 5] .历史上下荆江河曲的河床演变极 为剧烈 .
第 25 卷 第 6 期 西 南 师 范 大 学 学 报 (自然科学版) 2000 年 12 月
Vol .2 5 No .6 Journal of Southwest China Normal University (Natural Science )
Dec . 2000
时间段
1950— 1958 (1) 1961— 1969 (2) 1975-1980 (3)
b
0.082 0.056 0.044
f
0.351 0.358 0.372
m
0.5 66 0.5 67 0.5 62
b/ f
0.234 0.099 0.078
m/ f
1.613 1.584 1.511
比较该河道各期水力几何形态关系的指数变化 , 可以看出 : (1)下荆江河道的 b 值与 b/ f 值呈逐期递减的趋势 , 第 3 期与第 1 期相比 , b 值与 b / f 值分别减
L.B.Leopld 与 T.Maddock 认为 , 处于准平衡状态的天然河流 , 水面宽度(B )、 水深(H)、 流速 (U )与流量(Q)之间 , 存在下列的关系[ 6] :
B = aQb , H = cQf , U = kQ m
(1)
根据水流连续方程 Q =UBH , 可以得出 b +f +m =1 .
收稿日期 :2000-03-14 作者简介 :黎明(1971-), 男 , 四川隆昌人 , 硕士 .
第 6 期 黎 明 , 等 :下荆江河道水力几何形态的研究
7 09
图 1 下荆江监利(姚圻脑)河段水道形势 Fig.1 Distribution of Jianli (Yaoqinao)Stream Channel in Low Jingjiang River
从各期的变化对比中可以看出 , 从第 1 期到第 2 期下荆江河道水沙变化明显比从第 2 期到第 3 期 剧烈得多 , 从第 1 期到第 2 期 , 流量 、 河宽 、 输沙率分别增加了 3 132 m3/ s 、 112 m 和 2 347 kg/ s , 而 从第 2 期到第 3 期上述水沙要素仅分别增加了 510 m3/ s 、 37 m 和 1 125 kg/ s .从第 1 期到第 2 期是洞庭 湖四口分流水沙变化最为强烈的时期 , 这期间调弦口发生了筑坝断流 , 说明下荆江河道水沙变化受四
2.2 下荆江河道水力几何形态关系的变化
采用前述分期 , 根据式(1), 可计算出下荆江河道 3 个时期水力几何形态关系的指数(表 3).
表 3 下荆江河道水力几何形态关系指数的变化 Table 3 Changes of Hydraulic Geometry Exponent in Low Jingjiang River Stream Channel
文章编号 :1000-5471(2000)06-0708-05
下荆江河道水力几何形态的研究
黎 明1 , 李茂江2 , 陈国建1
1.西南师范大学资源与环境科学学院 , 重庆 400715; 2.四川省隆昌县黄家中学 , 隆昌 642153
摘要 :根据 1950— 1980 年下荆江监利(姚圻脑)站的水文测 验资料 , 运 用 L.B.Leopld 河 床水力 几何形 态原理 , 建立下荆江河道的河相关系式 , 研究该河道水力几何形态的特点及变化 .研究 表明 , 下荆江 河道河宽 指数 b 随流量的变化较小 , 而水深指数 f 随流量的变化较大 , 河床横 断面具有窄深的特点 . 关 键 词 :下荆江 ;水力几何形态 ;水沙变化 中图分类号 :P9.95 文献标识码 :A
表 1 下荆江河道各期水沙要素变化情况
Table 1 Changes of the Elements of Stream and Sediment in Periods in
Low Jingjiang River Stream Channel .
年 份
水位 (m)
流量 (m3/ s)
断面面积 (m2)
and Discharge in Low Jingjiang River Stream Channel 为了了解下荆江河道的水力几何形态特征 , 笔者将其与国内外一些河流的水力几何形态指数加以 比较(表 2), 从下荆江河道与国内外一些河流的比较中可以得出下列结论 : (1)下荆江河道的 b 值与 b/ f 值均为最小 , 分别只有国内外河流的 16.0 % ～ 46.1 %与 7.5 %～ 31.5 %.说明下荆江河道河床的水面宽度较小 , 横断面窄深 ;其 f b , 表明下荆江河道河床横断面 水深随流量的增加要比水面宽度的增加大得多 .主要原因是下荆江河道两岸均有江防大堤(图 1), 限 制了水面宽度的迅速增加 , 而河槽却不受这种限制 , 导致了水深的迅速增加 , 使得洪水期江水漫过江 防大堤的可能性增大 .也正是由于两岸大堤的作用 , 使下荆江河道的横向摆动幅度较小 , 而水流受弯
以水位值减去水深值作为河底高程 , 可以看出该河道河底高程的变化 .第 1 期到第 3 期下荆江河 道的河底高程分别为 21.25 m , 21.19 m , 21.51 m .说明第 1 期到第 2 期该河道河底高程在降低 , 河底 处于冲刷状态 , 而从第 2 期到第 3 期该河道河底高程在增高 , 河底处于淤积状态 .产生这一变化的原 因主要在于流量与输沙率的各 期变化存在差别 :第 2 期与 第 1 期相比 , 流量与输沙率 分别增加了 29.63 %和 25.99 %, 流量增加比输沙率增加大 , 造成了水流挟沙力的增大 , 使河床受到冲刷 .而从第 2 期到第 3 期 , 流量与输沙率分别增加了 3.72 %和 9.89 %, 输沙率增加明显比流量增加大 , 因此水流 挟沙力减弱 , 泥沙在河床上沉积下来 , 河底得以淤高 .
河流名称
b
f
m
b/ f
m/ f
下荆江河道 美国中西部常流性河流 美国半干燥地区季节河流 美国怀特河 欧洲莱茵河 (10 个断面) 黄河下游 (弯曲河床) 黄河下游 (游荡河床) 长江张家洲河段 (进口)
0.06
0.55
0.3 8
0.117
0.701
0.26
0.40
0.3 4
0.650
0.850
0.29
监利姚圻脑水文站位于下荆江河曲调弦口分流下游(图 1), 其河型较为弯曲 , 河岸有江防大堤 , 右岸崩塌较为严重 , 有沙洲伸到堤边 , 左岸及河槽较为稳定[ 3] . 1.2 下荆江河道水沙的变化
1950 年来 , 由于洞庭湖四口河床泥沙的淤积与荆江上游水利工程的修建导致了下荆江河道水沙 的变化 .根据 1950 —1980 年的实测资料 , 将下荆江河道水沙变化分为 3 期 :1950 —1958 年(第 1 期), 1966 —1969 年(第 2 期), 1975 —1980 年(第 3 期).各期水沙要素的变化情况如表 1 .
第 6 期 黎 明 , 等 :下荆江河道水力几何形态的研究
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曲河岸的约束 , 挟沙力较弱 , 泥沙往往沉积于河床上 , 使河床底部淤积速度较快 , 对下荆江河道的整 治带来了极为不利的影响 .
(2)下荆江河道的 m 值与 m/ f 值均较小 , 说明在同一流量频率下该河道的流速增加较小 , 并且 流量变化时其流速的变化比水深的变化小 .下荆江河道的水流受到下游洞庭湖出口水流的顶托作用 , 水面比降较小 , 虽然受江防大堤的制约水面宽度增加不快 , 水流在河槽中易于形成壅水 , 但由于洞庭 湖出口水流的顶托作用 , 下荆江河道的水流不能向下游迅速渲泻 , 因此使水深得以迅速增加而流速的 增加则要缓慢得多 , 洪水期下荆江河道的汛情也因此而加剧 .
根据 1950 —1980 年监利河段姚圻脑(图 1)的 1 194 组水文资料 , 按 5 年平均拟合出下荆江河道的
水面宽度 、 水深 、 流速与流量的关系(图 2), 并计算出下荆江河道的水力几何形态关系为 :
源自文库
B =630.413Q 0.064 U =0.047Q 0.553 H =0.036Q 0.383
(2)
(2)式中 B —Q , H —Q , U —Q 三个关系式的相关系数分别为 0.81 , 0.82 , 0.92 .
图 2 下荆江河道水面宽度 、 流速 、 水深与流量关系曲线 Fig.2 Curves of the Relationships Among Width , Velocity , Depth
0.36
0.3 4
0.805
0.944
0.38
0.33
0.2 7
1.152
0.819
0.13
0.41
0.4 3
0.371
1.049
0.16
0.30
0.5 4
0.533
1.800
0.28
0.18
0.5 4
1.556
3.00
0.20
0.51
0.3 0
0.392
0.588
注 :表中 b/ f 、 m/ f 的值均由 b 、 m 、 f 的值保留 4 位有效小数计算得出 .
1.41
7.87
1 195
12 500
从表 1 可以看出 , 下荆江河道的各期水沙要素大体呈递增的趋势 , 这主要由于受到四口的水沙变 化的影响 .自 50 年代以来 , 由于四口河床泥沙发生严重淤积甚至断流 , 其分沙分流量逐渐减少 , 因 而导致了下荆江来水来沙量的增加 .对比输沙率与流量的变化可以看出 , 下荆江河道输沙率与流量的 变化各期大致相同 , 流量的变化略小于输沙率的变化 .第 3 期与第 1 期相比 , 其流量与输沙率分别增 加了 34.46 %和 38.46 %.
流速 (m/ s)
水深 (m)
河宽 (m)
1950 —1958
29.1 2
10 570
8 421
1.22
7.87
1 046
输沙率 (kg/ s) 9 028
1966 —1969
29.8 4
13 702
10 105
1.28
8.65
1 158
11 375
1975 —1980
29.3 8
14 212
9 496
表 2 下荆江河道与世界上一些河流水力几何形态关系指数值的比较[ 2 , 7] Table 2 Comparison of Hydraulic Geometry Exponent in Low Jingjiang
River Stream Channel and Some Other Stream Channels of the World
7 10
西南师范大学学报(自然科学版) 第 25 卷
口分流的影响特别显著 , 在第 2 期到第 3 期间 , 该河道水沙变化虽然也受到沙滩子 、 上车湾等弯道裁 弯取直的影响 , 但却明显不如四口分流的影响显著 .
2 下荆江河道水力几何形态关系
2.1 下荆江河道水力几何形态关系的特征
1 下荆江河道特征及水沙变化
1.1 下荆江河道特征 下荆江河道南邻江南古陆 , 北依江汉平原 , 为第四纪强烈下沉的陆凹地 , 河道蜿蜒曲折 , 曲折率
达 2.03[ 4] , 有 “九曲回肠” 之称 .下荆江河道水文因素较为特殊 , 受下游洞庭湖出水的顶托作用 , 其回水范围影响整个下荆江[ 4] , 松滋 、 虎渡 、 藕池 、 调弦四口的分流作用对下荆江河道的水沙变化影 响较大 , 四口分流的流量占荆江流量的 24.4 %, 分沙量为 0.2 %[ 5] .历史上下荆江河曲的河床演变极 为剧烈 .
第 25 卷 第 6 期 西 南 师 范 大 学 学 报 (自然科学版) 2000 年 12 月
Vol .2 5 No .6 Journal of Southwest China Normal University (Natural Science )
Dec . 2000
时间段
1950— 1958 (1) 1961— 1969 (2) 1975-1980 (3)
b
0.082 0.056 0.044
f
0.351 0.358 0.372
m
0.5 66 0.5 67 0.5 62
b/ f
0.234 0.099 0.078
m/ f
1.613 1.584 1.511
比较该河道各期水力几何形态关系的指数变化 , 可以看出 : (1)下荆江河道的 b 值与 b/ f 值呈逐期递减的趋势 , 第 3 期与第 1 期相比 , b 值与 b / f 值分别减
L.B.Leopld 与 T.Maddock 认为 , 处于准平衡状态的天然河流 , 水面宽度(B )、 水深(H)、 流速 (U )与流量(Q)之间 , 存在下列的关系[ 6] :
B = aQb , H = cQf , U = kQ m
(1)
根据水流连续方程 Q =UBH , 可以得出 b +f +m =1 .
收稿日期 :2000-03-14 作者简介 :黎明(1971-), 男 , 四川隆昌人 , 硕士 .
第 6 期 黎 明 , 等 :下荆江河道水力几何形态的研究
7 09
图 1 下荆江监利(姚圻脑)河段水道形势 Fig.1 Distribution of Jianli (Yaoqinao)Stream Channel in Low Jingjiang River
从各期的变化对比中可以看出 , 从第 1 期到第 2 期下荆江河道水沙变化明显比从第 2 期到第 3 期 剧烈得多 , 从第 1 期到第 2 期 , 流量 、 河宽 、 输沙率分别增加了 3 132 m3/ s 、 112 m 和 2 347 kg/ s , 而 从第 2 期到第 3 期上述水沙要素仅分别增加了 510 m3/ s 、 37 m 和 1 125 kg/ s .从第 1 期到第 2 期是洞庭 湖四口分流水沙变化最为强烈的时期 , 这期间调弦口发生了筑坝断流 , 说明下荆江河道水沙变化受四
2.2 下荆江河道水力几何形态关系的变化
采用前述分期 , 根据式(1), 可计算出下荆江河道 3 个时期水力几何形态关系的指数(表 3).
表 3 下荆江河道水力几何形态关系指数的变化 Table 3 Changes of Hydraulic Geometry Exponent in Low Jingjiang River Stream Channel
文章编号 :1000-5471(2000)06-0708-05
下荆江河道水力几何形态的研究
黎 明1 , 李茂江2 , 陈国建1
1.西南师范大学资源与环境科学学院 , 重庆 400715; 2.四川省隆昌县黄家中学 , 隆昌 642153
摘要 :根据 1950— 1980 年下荆江监利(姚圻脑)站的水文测 验资料 , 运 用 L.B.Leopld 河 床水力 几何形 态原理 , 建立下荆江河道的河相关系式 , 研究该河道水力几何形态的特点及变化 .研究 表明 , 下荆江 河道河宽 指数 b 随流量的变化较小 , 而水深指数 f 随流量的变化较大 , 河床横 断面具有窄深的特点 . 关 键 词 :下荆江 ;水力几何形态 ;水沙变化 中图分类号 :P9.95 文献标识码 :A
表 1 下荆江河道各期水沙要素变化情况
Table 1 Changes of the Elements of Stream and Sediment in Periods in
Low Jingjiang River Stream Channel .
年 份
水位 (m)
流量 (m3/ s)
断面面积 (m2)
and Discharge in Low Jingjiang River Stream Channel 为了了解下荆江河道的水力几何形态特征 , 笔者将其与国内外一些河流的水力几何形态指数加以 比较(表 2), 从下荆江河道与国内外一些河流的比较中可以得出下列结论 : (1)下荆江河道的 b 值与 b/ f 值均为最小 , 分别只有国内外河流的 16.0 % ～ 46.1 %与 7.5 %～ 31.5 %.说明下荆江河道河床的水面宽度较小 , 横断面窄深 ;其 f b , 表明下荆江河道河床横断面 水深随流量的增加要比水面宽度的增加大得多 .主要原因是下荆江河道两岸均有江防大堤(图 1), 限 制了水面宽度的迅速增加 , 而河槽却不受这种限制 , 导致了水深的迅速增加 , 使得洪水期江水漫过江 防大堤的可能性增大 .也正是由于两岸大堤的作用 , 使下荆江河道的横向摆动幅度较小 , 而水流受弯
以水位值减去水深值作为河底高程 , 可以看出该河道河底高程的变化 .第 1 期到第 3 期下荆江河 道的河底高程分别为 21.25 m , 21.19 m , 21.51 m .说明第 1 期到第 2 期该河道河底高程在降低 , 河底 处于冲刷状态 , 而从第 2 期到第 3 期该河道河底高程在增高 , 河底处于淤积状态 .产生这一变化的原 因主要在于流量与输沙率的各 期变化存在差别 :第 2 期与 第 1 期相比 , 流量与输沙率 分别增加了 29.63 %和 25.99 %, 流量增加比输沙率增加大 , 造成了水流挟沙力的增大 , 使河床受到冲刷 .而从第 2 期到第 3 期 , 流量与输沙率分别增加了 3.72 %和 9.89 %, 输沙率增加明显比流量增加大 , 因此水流 挟沙力减弱 , 泥沙在河床上沉积下来 , 河底得以淤高 .
河流名称
b
f
m
b/ f
m/ f
下荆江河道 美国中西部常流性河流 美国半干燥地区季节河流 美国怀特河 欧洲莱茵河 (10 个断面) 黄河下游 (弯曲河床) 黄河下游 (游荡河床) 长江张家洲河段 (进口)
0.06
0.55
0.3 8
0.117
0.701
0.26
0.40
0.3 4
0.650
0.850
0.29