李 露，唐 偉，王云波

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065）

受氣候、季節(jié)、地形變化等因素影響，河流中的沙洲一直受流速不斷變化的水流沖擊。水流流速變化不僅直接作用于沙洲本身，還會(huì)影響河道的發(fā)育和河床的演變，從而間接影響沙洲的發(fā)育。地形變化通過(guò)改變坡降影響流速分布，但地形地貌一般較為穩(wěn)定，短期不會(huì)造成流速突變，導(dǎo)致沙洲變化。相對(duì)而言，局部范圍的氣候變化、季節(jié)交替常使來(lái)水流量變化快，流速隨之變化，進(jìn)而影響沙洲發(fā)育。因此，來(lái)水流量對(duì)沙洲發(fā)育有明顯影響。

沙洲是沖積河道泥沙長(zhǎng)期淤積的產(chǎn)物，河道為其提供形成發(fā)育條件的同時(shí)也對(duì)其自由發(fā)展進(jìn)行了限制，沙洲的形成會(huì)受到河道分汊比、河道形狀和寬度的影響。水流受河勢(shì)、沙洲本身的影響，在左右汊的流速不同。流速快的汊道常表現(xiàn)為受沖擊侵蝕，流速慢的汊道常表現(xiàn)為泥沙、卵石等推移質(zhì)沉積。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累，沙洲左右側(cè)的發(fā)育情況差異明顯，從而使沙洲呈現(xiàn)出不同形態(tài)。

沙洲不但影響著生態(tài)、地理環(huán)境，同時(shí)對(duì)人們的生產(chǎn)生活也有直接或者間接的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)沙洲已有不少的研究成果。其中，高進(jìn)對(duì)河流沙洲的發(fā)育進(jìn)行了理論分析，導(dǎo)出了菱形沙洲、等腰三角形沙洲等發(fā)育長(zhǎng)度的理論公式[1]。彭玉明對(duì)荊江汊道進(jìn)行分析得出了水流速度和水沙條件對(duì)汊道形成有重要影響[2]。李志威進(jìn)行了卵石沙洲發(fā)育沖刷試驗(yàn)[3]，得出了卵石淤積沙洲的發(fā)育機(jī)理[4]，并分析了典型沙洲形態(tài)和河道的關(guān)系[5]。李龍成等人得出了岷江流域水沙變化的主要原因[6]。但是針對(duì)不同來(lái)水流量情況下沙洲的沖淤變形仍未有深入研究。

不同來(lái)水流量情況下，沙洲的沖淤變形大小差異比較明顯，依據(jù)最小阻力原理，沙洲的發(fā)育變形也有一定的規(guī)律。本研究采用清水沖刷試驗(yàn)，用不同流量模擬不同流量的水文年對(duì)白沙河模型中的橢圓形沙洲進(jìn)行沖刷，觀察總結(jié)沙洲的演變規(guī)律并分析影響其變形的主要因素。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模擬白沙河河道區(qū)內(nèi)。在該模型試驗(yàn)場(chǎng)，該河流交匯區(qū)物理模型按照重力相似準(zhǔn)則修建，幾何比尺為1∶20，見(jiàn)圖1，模型總長(zhǎng)度為25 m，總寬度為10 m。干流河段長(zhǎng)度為24 m，河寬沿程漸變，范圍在2.35 m～7.55 m 之間，河段平均比降為1.4%；支流河段長(zhǎng)度為4 m，河寬為2 m，平均比降為4.2%。干、支流河道床面平順相接，交匯角約為90°。

在河道模型的中間修筑了近似橢圓形（長(zhǎng)軸∶短軸=2∶1）的沙洲，沙洲所在的河段主要按照?qǐng)D1 所示布設(shè)斷面D1～D4。沙洲修筑在彎曲河道上，因此，試驗(yàn)得出的結(jié)論也具有一定的針對(duì)性和特殊性，但是更符合天然河流沙洲發(fā)育的自然地理環(huán)境。

圖1 沙洲位置及斷面布設(shè)圖

本試驗(yàn)共計(jì)開(kāi)展9 組，采用控制變量法，以流量為唯一變量。分別采用流量級(jí)為100 L/s、140 L/s 和180 L/s 的三個(gè)流量進(jìn)行沖刷，每個(gè)流量級(jí)的實(shí)驗(yàn)反復(fù)做三次，避免偶然誤差，使得出的結(jié)論更具有說(shuō)服力。首先，試驗(yàn)前，先修整沙洲，使沙洲受沖刷前的形狀大致相同，保證變量的唯一性，但由于是人工修整，誤差也不可避免。接著使用全站儀測(cè)量地形，按照“之”字形進(jìn)行取點(diǎn)測(cè)量，沙洲洲體處地形變化較大，取點(diǎn)應(yīng)較密集，保證得出的結(jié)果精確。然后按照設(shè)計(jì)的流量進(jìn)行沖刷，為保證時(shí)間的一致性，當(dāng)實(shí)際流量達(dá)到設(shè)定流量且穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，沖刷時(shí)間均為2 h。同時(shí)在水流穩(wěn)定時(shí)測(cè)量各斷面流速，流速測(cè)量采用螺旋槳式流速儀，精度為0.01 m/s。在沙洲上游，流速變化較小，則每隔1 m 測(cè)量一個(gè)斷面流速，每個(gè)斷面等距測(cè)量五個(gè)位置的流速，每個(gè)位置測(cè)量三個(gè)深度的流速取平均值；在沙洲周?chē)鞯牧魉僮兓^大，每隔50 cm 測(cè)量一個(gè)斷面，每個(gè)斷面依據(jù)各自地形測(cè)量5 個(gè)～8 個(gè)沿程距離位置，每個(gè)位置測(cè)量三個(gè)深度的流速取平均值。同時(shí)利用水準(zhǔn)儀測(cè)量不同斷面左右岸的水位高度。沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉閘門(mén)，待實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的積水完全干后，再用全站儀測(cè)量地形，避免積水反光造成測(cè)量誤差，最后用軟件Tecplot 導(dǎo)入數(shù)據(jù)生成地形圖，結(jié)合CAD 繪圖軟件便可獲得地形斷面對(duì)比圖。地形斷面對(duì)比圖與流速分布圖結(jié)合，分析流速對(duì)沙洲形態(tài)演變的影響，著重關(guān)注沙洲左右側(cè)發(fā)育情況的對(duì)比。

2 試驗(yàn)分析

2.1 沙洲總體沖淤變形分析

圖2 沙洲不同流量沖刷前后對(duì)比圖

通過(guò)圖2 得出的沙洲沖淤前后的沙洲輪廓圖，由圖可知，處于河道中間的橢圓形沙洲在清水沖刷后，整體呈變大的趨勢(shì)。當(dāng)用Q=180 L/s 的流量沖刷后，沙洲的輪廓最大，向右的偏移量最大；Q=140 L/s 的沙洲輪廓和偏移量次之；Q=100 L/s 的沙洲變化量最小。上游來(lái)水流速較大，不斷沖刷左側(cè)沙洲，而右側(cè)河彎處水流流速下降，流速較小，水流裹挾泥沙的能力下降，泥沙逐漸淤積。因此，沙洲呈現(xiàn)整體向河岸凹岸處偏移的趨勢(shì)。由卵礫石淤積的沙洲洲頭淺灘、邊灘和洲尾淺灘的邊坡泥沙顆粒臨界起動(dòng)的受力分析可知，洲頭淺灘的推移質(zhì)處在逆坡中最難起動(dòng)，洲尾淺灘處在順坡次之，兩側(cè)邊灘沿水流方向最易起動(dòng)，故洲頭相對(duì)于洲尾更易于推移質(zhì)停留與淤積[7]。因此，整體級(jí)配均勻的沙洲在上游來(lái)水沖刷情況下，洲頭大部分質(zhì)量小的細(xì)砂碎石被水流帶走，而質(zhì)量大的卵碎石不易起動(dòng)。此外，上游河道中的卵石等推移質(zhì)被水流裹挾到洲頭滯水區(qū)，因?yàn)橘|(zhì)量較大，來(lái)水流速不夠，推移質(zhì)失去了隨水流運(yùn)動(dòng)的條件，便在洲頭淤積下來(lái)。最終，卵碎石等主要在洲頭；而沙洲洲尾則主要是細(xì)沙沉降。

因此，多次沖刷后，橢圓形的沙洲逐漸發(fā)育成鐮刀形沙洲，且呈現(xiàn)逆流向上的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2 沙洲局部斷面沖淤變形分析

為研究流量流速變化與沙洲變化、河道發(fā)育以及河床的演變?nèi)唛g的關(guān)系，選取沙洲上游、洲頭、洲尾等幾個(gè)具有代表性的斷面進(jìn)行分析[8]。

從圖3 的六個(gè)斷面圖的分析對(duì)比圖上可以看到模型河段河床在不同流量沖刷下的變化情況。長(zhǎng)江上游地區(qū)，大部分山區(qū)河流含泥沙較少，近似為清水沖刷狀態(tài)，而其沖刷河流帶走的泥沙碎石也成為了影響下游沙洲發(fā)育的重要因素。其中，D1斷面是沙洲上游河床斷面，從圖3（a）中發(fā)現(xiàn)100 L/s、140 L/s、180 L/s 的不同流量均對(duì)沙洲上游的河床產(chǎn)生不同的沖刷作用。其中，隨著流量的增大，水流流速也增大，對(duì)河床的沖刷淘蝕作用更劇烈。這是由于水流流速增加，攜帶的動(dòng)能隨之增大，對(duì)河床泥沙、卵石的裹挾能力增強(qiáng)，最終，該處泥沙、卵石等將被帶往下游沉積。D2 斷面位于沙洲洲頭處，沖刷現(xiàn)象均比較明顯，但在三個(gè)不同流量級(jí)水流沖刷的條件下，沙洲左右側(cè)的坡度變化差異較大，由于沙洲使河流分汊，兩汊的流速差異較大，沙洲左側(cè)的沖刷現(xiàn)象明顯大于右側(cè)，且流量越大，這種態(tài)勢(shì)越明顯。D3 斷面選取的沙洲中部位置，由于沙洲修筑在河道轉(zhuǎn)彎處，具有一定的特殊性，從斷面圖中可以看出，沙洲左側(cè)（河岸凸岸側(cè)）有明顯的沖刷侵蝕現(xiàn)象，沙洲右側(cè)（河岸凹岸側(cè)）有明顯的淤積現(xiàn)象，沙洲向河岸凹岸側(cè)偏移現(xiàn)象明顯。D4 斷面（沙洲洲尾處）左右汊流速差減小，對(duì)沙洲的沖刷淤積影響減小。

圖3 D1～D4 斷面不同流量沖刷對(duì)比圖

從河道模型平面圖可以看出，左右汊河道并不相同。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，左汊河道河岸凹凸變化比較小，對(duì)水流的遲滯影響小，右汊河道河岸凹凸變化較大，對(duì)水流的遲滯作用相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大。按理來(lái)說(shuō)，右汊河道的水流被遲滯，卵石、泥沙等推移質(zhì)沉積更多，河床應(yīng)該被抬升[9]，但結(jié)果恰恰相反，這是因?yàn)樗髁魉俚挠绊懜蟆乃x四個(gè)斷面的流速圖表分析來(lái)看，總體都是右汊河道流速更大，右汊河道水流裹挾泥沙、推動(dòng)卵石的作用強(qiáng)度比左汊河道水流高不少，因此沙洲左側(cè)被沖刷蝕退。在河道形態(tài)與水流流速的雙重影響中，水流流速占據(jù)了主導(dǎo)地位。

另外，從圖4 斷面流速對(duì)比圖表中可以看出，左右汊河道水流流速差異較大。流速在很大程度上影響著沙洲變化、河道發(fā)育以及河床的演變，三者的演化作用又相互影響。圖4 中D1斷面（沙洲上游）流速呈靠近岸邊小，中間流速大的狀態(tài)。而從圖4（b）（c）中可分析出，沙洲洲頭兩側(cè)流速較大，水動(dòng)力較強(qiáng)，沙洲上的泥沙顆粒滿足其失穩(wěn)條件[10]。因此，泥沙被水流帶走，沙洲變化較大。洲頭正前方形成雍水區(qū)，流速較小，粗顆粒泥沙粘結(jié)力和水柱壓力很小，起動(dòng)后仍在洲頭附近運(yùn)動(dòng)，而細(xì)顆粒泥沙因粘結(jié)力和水柱壓力遠(yuǎn)超過(guò)重力，起動(dòng)后失去粘結(jié)力和水柱壓力而懸浮。因此在水流流速較大地方，沙洲的泥沙起動(dòng)較大，隨水流運(yùn)動(dòng)，在流速減小的地方，重力起主導(dǎo)作用而被沉積。從圖4 中可看出，流量越大，流速越大，沙洲的泥沙運(yùn)動(dòng)也越明顯，沙洲的變化也就越大。

流量差異越大，左右汊河道中水流流速差異越大，水流裹挾泥沙的能力也不同。左右汊的泥沙運(yùn)動(dòng)狀況也不同，沙洲左側(cè)的流速普遍大于右側(cè)流速，結(jié)合斷面圖可得，左側(cè)坡度沖刷后由銳角變化成直角甚至鈍角，受沖刷嚴(yán)重，而右側(cè)流速較小，主要為淤積，沙洲的坡度越來(lái)越緩，河床逐漸抬升，所以沙洲向河岸凹岸處偏移的趨勢(shì)越來(lái)越大，甚至出現(xiàn)與凹岸側(cè)合并的現(xiàn)象，橢圓形沙洲逐漸向鐮刀形沙洲演變。從圖4（d）中可看出D4斷面的流速差距最小，兩汊匯流，對(duì)洲尾有一定量的沖刷，因此，在彎曲河流中，鐮刀形沙洲的發(fā)育也尚不穩(wěn)定，會(huì)逆向上游增長(zhǎng)，逐漸形成在順直河段中較穩(wěn)定的橢圓沙洲。

圖4 D1～D4 斷面流速對(duì)比圖

3 結(jié)論

1）來(lái)水流量導(dǎo)致的流速變化是分汊型河流和沙洲演變的重要因素。流量越大，洲頭的沖刷越明顯，沙洲洲體的位置偏移以及形狀變化越明顯。沙洲變化、河道發(fā)育、河床演變，三者的演化作用是相互影響的。

2）在天然河流中，分汊型河道左右兩汊的流速差別較大。河道凸岸的流速較大，對(duì)沙洲的沖刷較明顯，沙洲呈沖刷蝕退的趨勢(shì)，河道凹岸側(cè)，流速相對(duì)較小，呈淤積狀態(tài)，且流速越大，沖淤現(xiàn)象越明顯。

3）天然河流大多呈曲折分布，位于彎曲河道中的橢圓形沙洲在不同水文年來(lái)水流量的沖刷下，則可能呈現(xiàn)向河道凹岸發(fā)育，甚至并岸的趨勢(shì)。且在河彎處會(huì)由橢圓形發(fā)育為鐮刀形沙洲，再逐漸形成順直河段穩(wěn)定的橢圓形沙洲。