，，

(長(zhǎng)江水利委員會(huì) 三峽水文水資源勘測(cè)局,湖北 宜昌 443000)

天然條件下葛洲壩下游河道沿程造床流量計(jì)算，已有研究成果。但隨著三峽水庫的蓄水運(yùn)用，壩下游來水來沙條件、年內(nèi)水文過程、水流造床作用等因素都發(fā)生了明顯變化，作為對(duì)形成天然河道河床特性及河槽基本尺寸起支配作用的河道造床流量也將發(fā)生變化，探討壩下游河床造床流量的變化情況對(duì)研究壩下游河道河床演變特性有重要的參考意義。因此，本文首先以宜昌水文站資料為代表，對(duì)蓄水前后壩下游河道造床流量的變化進(jìn)行了詳細(xì)分析，而后通過河道水力學(xué)計(jì)算，并結(jié)合河流泥沙動(dòng)力學(xué)中水流挾沙的有關(guān)理論，簡(jiǎn)要分析了壩下游河道水流挾沙能力的變化情況，得出了一些認(rèn)識(shí)。

1 壩下游河道造床流量的計(jì)算

在研究河床的穩(wěn)定性和河道水力幾何形態(tài)特征的時(shí)候，都要使用1個(gè)單一的代表流量作為特征流量。這個(gè)流量對(duì)形成天然河道河床特性及河槽基本尺寸起支配作用，其造床作用與多年流量過程的綜合造床作用相當(dāng)，與河道最大流量、平均流量、水流歷時(shí)、洪水頻率以及河道輸沙等因素相關(guān)，常被稱為造床流量。

對(duì)于造床流量的確定，目前在理論上尚不成熟，根據(jù)應(yīng)用的側(cè)重不同，其計(jì)算方法和確定條件也較多，如應(yīng)用于河道演變分析和航道整治特征條件確定時(shí)，其計(jì)算條件選取和計(jì)算方法就會(huì)有所區(qū)別。本文的研究側(cè)重主要在河床演變特性分析，因此先比較介紹幾種常用的計(jì)算方法。在早期的研究中，有學(xué)者認(rèn)為，河床基本上是由洪水造成的，因此采用最高水位相應(yīng)的流量作為造床流量；與此相反，也有學(xué)者認(rèn)為，洪水只是破壞河床地形，河床的形成主要是由于常水的作用，所以采用多年平均流量作為造床流量。但根據(jù)造床流量的定義，造床流量應(yīng)對(duì)塑造河床形態(tài)所起作用最大，對(duì)于大洪水而言，盡管其造床作用劇烈，但時(shí)間一般不長(zhǎng)，所起造床作用并不是很大；對(duì)于枯水而言，其作用時(shí)間雖長(zhǎng)，但其造床作用不可能很大。因此，前面2種方法都不能準(zhǔn)確代表造床流量的實(shí)質(zhì)，為更加近似地表述造床流量本質(zhì)，還應(yīng)跟河道本身水力條件及輸沙條件建立聯(lián)系?；谏鲜隹紤]，目前工程中采用較為普遍的是馬卡維耶夫法、平灘水位法、流量保證率法，下面分別比較幾種方法的計(jì)算結(jié)果。

1.1 馬卡維耶夫法

馬卡維耶夫認(rèn)為，某個(gè)流量造床作用的大小，即與該流量的輸沙能力有關(guān)，同時(shí)也與該流量所持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，輸沙能力可認(rèn)為與流量Q的m次方及比降J的乘積成正比，流量持續(xù)時(shí)間可用該流量出現(xiàn)的頻率P來表示。因此當(dāng)QmJP的乘積為最大時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的流量造床作用也最大，這個(gè)流量便是所求的造床流量。具體計(jì)算方法為：

(1) 繪制Q-QmJP關(guān)系曲線，m為指數(shù)，可由實(shí)測(cè)資料確定，即在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上作Gs-Q關(guān)系曲線(Gs為與Q相應(yīng)的實(shí)測(cè)斷面輸沙率)，曲線斜率即為m值。

(2) 從圖中查出QmJP最大值，相應(yīng)于此最大值的流量Q即為所求的造床流量。

實(shí)測(cè)資料分析表明，一般Q-QmJP會(huì)出現(xiàn)2個(gè)較大的峰值：第一峰值(QmJP)對(duì)應(yīng)的流量稱之為第一造床流量；第二峰值(QmJP)對(duì)應(yīng)的流量稱之為第二造床流量。通常，我們所說的造床流量指的是第一造床流量。

基于上述理論基礎(chǔ)，筆者收集了宜昌站葛洲壩運(yùn)行以來(1981—2012年)的水文資料，分為2個(gè)時(shí)期即三峽蓄水前(1981—2002年)和三峽蓄水后(2003—2012年)，分別進(jìn)行造床流量的計(jì)算分析，有關(guān)成果見圖1至圖4，主要步驟如下：

(1) 將流量數(shù)據(jù)按2 000 m3/s的間隔進(jìn)行分級(jí)，計(jì)算各級(jí)流量出現(xiàn)的頻率，成果見圖1。

圖1 三峽水庫蓄水前后各級(jí)流量出現(xiàn)頻率分布對(duì)照

(2) 不同時(shí)期各級(jí)流量對(duì)應(yīng)的比降通過查圖2和水力學(xué)計(jì)算得到。其中：三峽蓄水前資料通過查圖；三峽蓄水后資料，2008年以前通過查圖，2008年以后通過水力學(xué)計(jì)算。

圖2 葛洲壩下游河道比降與流量的關(guān)系

(3) 根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定蓄水前后的參數(shù) ，成果見圖3，查得蓄水前后參數(shù)取值分別應(yīng)為3.3和2.9。

(a )三峽水庫蓄水前

(b) 三峽水庫蓄水后

(a) 三峽水庫蓄水前(1981—2002年)

(b) 三峽水庫蓄水后(2003—2012年)

(4) 根據(jù)實(shí)測(cè)資料繪制的Q-QmJP關(guān)系曲線見圖4，三峽蓄水前后壩下游第一造床流量分別是32 000 m3/s和38 000 m3/s，第二造床流量分別是42 000 m3/s和26 000 m3/s。

1.2 平灘水位法

按照馬卡耶維夫法計(jì)算的造床流量水位大多與河漫灘平齊，也只有當(dāng)水位平灘時(shí)，造床作用才最大，因?yàn)楫?dāng)水位再升高漫灘時(shí)，水流分散，造床作用降低，水位低于河漫灘時(shí)，流速較小，造床作用也不強(qiáng)。這一方法又稱滿槽流量法。按照上述方法，本文在宜昌—楊家垴河段選取了幾個(gè)代表河段和斷面，取其漫灘水位對(duì)應(yīng)的流量平均值，作為造床流量。由于陳二口以下河段存在河道分流影響，在計(jì)算過程中將陳二口以上(宜昌—枝城河段)和陳二口以下(枝江河段)分別統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。陳二口以上的淺灘河段目前比較典型的僅剩胭脂壩段和關(guān)洲段，其余淺灘河段現(xiàn)基本都在常年水位以下；陳二口以下淺灘河段比較典型的有董市洲和柳條洲；因此2個(gè)河段分別主要以這幾個(gè)位置的漫灘洪水流量作為統(tǒng)計(jì)計(jì)算的依據(jù)，有關(guān)計(jì)算成果見表1。對(duì)于河段代表斷面及灘面高程的選取，原則上以河段灘面最高位置的高程值為依據(jù)，但若灘面最高點(diǎn)僅為單一點(diǎn)、散亂的單一點(diǎn)或高點(diǎn)面積很小不具代表性，則以其周圍的點(diǎn)子加入計(jì)算取平均，以使該高程對(duì)灘面最高位置有較好的代表性。

表1 宜昌—楊家垴河段平灘洪水流量統(tǒng)計(jì)成果

1.3 流量保證率法

造床流量的保證率和累積頻率是一個(gè)令人關(guān)注的問題，有關(guān)研究資料成果也較多。錢寧等[1]在《河床演變學(xué)》中根據(jù)美國河流的資料統(tǒng)計(jì)，建議采用重現(xiàn)期為1.5年的洪水流量作為平灘流量，根據(jù)宜昌站的洪水設(shè)計(jì)頻率曲線(見圖5)查算，該重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的流量為46 000 m3/s。

圖5 宜昌站洪水流量頻率設(shè)計(jì)成果

1.4 壩下游造床流量的比較和確定

1.4.1 宜昌—城陵磯河段已有造床流量成果

(1) 余文疇[2]根據(jù)馬卡維耶夫法和平灘水位法，得到表2，此成果為三峽水庫蓄水前成果。

表2 長(zhǎng)江中下游沿程造床流量計(jì)算成果

(2) 依據(jù)韓其為院士[3]對(duì)第一造床流量、第二造床流量的定義：第一造床流量系指塑造河床縱剖面的流量；第二造床流量系指塑造橫剖面的流量，相對(duì)應(yīng)于上述造床流量計(jì)算方法的確定，韓其為等在研究葛洲壩水庫及壩下游沖刷時(shí)，曾根據(jù)宜昌站實(shí)測(cè)水文泥沙資料，分析計(jì)算三峽水庫蓄水前的第一造床流量和第二造床流量，分別為28 484 ，43 837 m3/s。

1.4.2 造床流量計(jì)算成果的合理性分析

本文采用3種方法計(jì)算的造床流量表明，平灘水位法和流量保證率法計(jì)算得到的結(jié)果基本一致，均偏大于馬卡維耶夫法30%左右。其原因主要是：①采用平灘水位法時(shí)，由于三峽水庫蓄水后，壩下洪水流量受水庫控制而未上灘，所選擇洲灘的平灘水位反映的是蓄水前的情況，故得到的造床流量應(yīng)該是蓄水前的造床流量；②采用流量保證率法，由于三峽蓄水后宜昌河段未發(fā)生稀遇洪水，因此蓄水前后的頻率線變化不大，其反映的也主要是蓄水前的造床流量；③從本文選用的幾種計(jì)算方法比較來看，只有馬卡維耶夫法在理論上相對(duì)完善，有一定的物理意義，而平灘水位法和流量保證率法顯得過于經(jīng)驗(yàn)，不確定因素影響較多。

上述結(jié)果對(duì)比來看，余文疇、韓其為等計(jì)算的造床流量，反映的是三峽水庫蓄水前的情況，經(jīng)與采用馬卡維耶夫法計(jì)算的蓄水前第一造床流量基本一致；韓其為從塑造縱橫向河床出發(fā)得到的第二造床流量，也與本文采用馬卡維耶夫法得到的蓄水前成果基本一致，說明本文在資料計(jì)算上基本是合理的。

從本文計(jì)算的蓄水前后造床流量變化上來看，基本反映了葛洲壩和三峽工程的建成投運(yùn)，實(shí)施了人工調(diào)控來水來沙過程，三峽水庫蓄水運(yùn)用后壩下游河床再造水流的基本特性，壩下游水沙條件和造床流量都處于調(diào)整之中。

2 壩下游水流挾沙能力變化分析

2.1 造床流量變化引起的下游河道水流挾沙力變化

從前文討論的壩下游造床流量變化的結(jié)果可以看到，三峽蓄水后壩下游第一造床流量從32 000 m3/s提高到了38 000 m3/s，說明對(duì)河床形態(tài)起主要塑造作用的輸沙流量有所增加;而第二造床流量從42 000 m3/s減少到了26 000 m3/s，說明洪水上灘概率減小，洪水的橫向造床能力明顯下降?？v向造床作用流量增加(該流量出現(xiàn)概率和造床能力的綜合作用)，水流流速增大，河床出現(xiàn)向縱深方向發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)于挾沙能力的變化，為便于定量估算和比較，本文以2002年河道地形為蓄水前代表，以2012年地形為蓄水后代表，對(duì)造床流量變化引起的水流挾沙能力變化進(jìn)行估算和比較。估算依據(jù)常用的水流挾沙力公式為

式中：S*為水流挾沙力(kg/m3);U為斷面平均流速(m/s);R為水力半徑(m)；ω為泥沙沉速；g為重力加速度(m/s2);κ,m分別為挾沙力系數(shù)和待定指數(shù)，本文分別取值為0.92和0.67。

圖6 蓄水后第一造床流量挾沙力與蓄水前造床流量挾沙力比值沿程變化

從式(1)的結(jié)構(gòu)形式來看，影響水流挾沙能力的主要是水流流速和河道水力半徑。本文根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的蓄水前后造床流量下河道的水力條件，計(jì)算了河道沿程蓄水后水流挾沙力的變化情況，見圖6，其中“宜”字開頭斷面為河床演變研究最初布設(shè)的研究斷面；非“宜”字開頭斷面為沿河道增加的斷面；關(guān)09關(guān)10斷面分別為河道左汊和右汊斷面。坐標(biāo)軸斷面排序自左至右為河道上游至下游。以下各圖同此。圖6表明，蓄水后第一造床流量提高后造床流量對(duì)應(yīng)的水力挾沙力平均提高6%～7%，從沿程變化來看，在單一斷面河段挾沙力提高相對(duì)明顯，在分汊或洲灘發(fā)育河段挾沙力提高相對(duì)較小。

河道造床流量反映的是河道水沙條件及發(fā)生概率變化的一種表現(xiàn)，即河道受某種水沙條件作用的概率變化結(jié)果，也反映河道挾沙條件變化的概率結(jié)果，其對(duì)應(yīng)的河道挾沙能力的變化，從一定程度上可以反映河道沖淤變化發(fā)展的方向和趨勢(shì)。從圖6顯示結(jié)果來看，蓄水后壩下游第一造床流量對(duì)應(yīng)的河道挾沙能力增加，河道應(yīng)向著縱深方向發(fā)展。

2.2 同流量條件下河道水流挾沙力的變化

為了反映蓄水前后河道幾何形態(tài)變化及水位變化對(duì)水流挾沙力的影響情況，筆者在2002年和2012年河道地形及水文條件下分別計(jì)算同流量洪水條件下河道水力學(xué)條件及河道水流挾沙能力的變化，為分析壩下游河道演變特征提供參考，計(jì)算選取10 000 m3/s和30 000 m3/s兩級(jí)流量作為代表，計(jì)算結(jié)果見圖7。

從圖7來看，同流量條件下10 000 m3/s對(duì)應(yīng)沿程挾沙力以增加為主，且在某些河段增加明顯；30 000 m3/s流量級(jí)對(duì)應(yīng)沿程挾沙力以減小為主。通過對(duì)地形資料和水文資料的比較分析，發(fā)現(xiàn)蓄水前后壩下游河道整體以沖刷為主，沖刷沿程分布不均，一些節(jié)點(diǎn)位置變化很??；30 000 m3/s流量級(jí)蓄水前后河道水位變化相對(duì)較小，沿程河道過水面積以增加為主，反映了河道沖刷的影響；10 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)河道沿程水面線下降相對(duì)明顯，在有些節(jié)點(diǎn)河段河道過水面積反而減小，河道水流挾沙能力增加明顯。這與目前掌握的壩下游河段的水文及河道變化情況基本相符，反映了壩下游沖刷發(fā)展將以河床中枯水區(qū)域?yàn)橹鳌?/p>

3 結(jié) 論

(1) 通過對(duì)三峽水庫蓄水前后宜昌水文站水文泥沙資料的分析，認(rèn)為工程調(diào)蓄壩下游河段水沙條件及造床流量都處于調(diào)整的過程中，統(tǒng)計(jì)資料顯示蓄水前后壩下游河段造床第一、第二流量分別從蓄水前的32 000 m3/s和42 000 m3/s變化為蓄水后的38 000 m3/s和26 000 m3/s。

(2) 通過幾種方法的對(duì)比和與蓄水前已有研究成果的對(duì)比分析，認(rèn)為本文計(jì)算的三峽工程蓄水前后造床流量變化情況是合理的。

(3) 通過造床流量變化和同流量條件壩下游河道水流挾沙力沿程變化計(jì)算來看，蓄水前后第一造床流量對(duì)應(yīng)的河道挾沙能力增加，從一定程度上可以反映出河道應(yīng)向著縱深方向發(fā)展；蓄水后同流量級(jí)的中低水條件下，壩下游河道水流挾沙力增加較為明顯，反映了三峽壩下游河道沖刷將以中低水河床區(qū)域?yàn)橹鳌?/p>

參考文獻(xiàn)：

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