馮 雪，夏軍強(qiáng)，周美蓉，鄧珊珊

(武漢大學(xué)水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

沖積河流中上游來(lái)沙量往往不會(huì)恰好等于當(dāng)?shù)氐乃鲯渡沉?，不平衡輸沙現(xiàn)象十分普遍，河床往往會(huì)通過(guò)沖淤調(diào)整同時(shí)自動(dòng)調(diào)整水流挾沙力的大小，使河床逐漸趨于輸沙平衡狀態(tài)[1-2]. 水庫(kù)運(yùn)用后，泥沙淤積在庫(kù)區(qū)，下泄水流的含沙量大幅度下降，壩下游河段往往會(huì)發(fā)生長(zhǎng)距離不平衡輸沙過(guò)程[2-4]. 而目前該過(guò)程往往難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，主要是因?yàn)閷?duì)不平衡輸沙規(guī)律尤其是非均勻沙的認(rèn)識(shí)不夠，故研究壩下游非均勻沙不平衡輸移規(guī)律，具有重要的理論意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壩下游河道不平衡輸沙過(guò)程進(jìn)行了較多的研究. 早期部分學(xué)者主要通過(guò)求解懸移質(zhì)紊動(dòng)擴(kuò)散方程來(lái)模擬不平衡輸沙過(guò)程，但通過(guò)該方法求得的含沙量恢復(fù)飽和距離很短，與實(shí)際沖刷距離存在較大差異[5]. 為了預(yù)報(bào)實(shí)際問(wèn)題，部分學(xué)者從垂線平均含沙量沿程變化出發(fā)，引入恢復(fù)飽和系數(shù)，并建立不平衡輸沙方程[6]，對(duì)不平衡輸沙過(guò)程進(jìn)行計(jì)算. 但由于缺乏對(duì)恢復(fù)飽和系數(shù)α的物理本質(zhì)及變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，該方法也具有一定的局限性. 目前關(guān)于壩下游懸移質(zhì)輸移特性及水流含沙量恢復(fù)特性的認(rèn)識(shí)，多源于對(duì)已建大壩下游沖刷發(fā)展的觀測(cè)與分析，主要包含兩類(lèi)觀點(diǎn).

一類(lèi)觀點(diǎn)涉及粗細(xì)泥沙交換理論. 部分學(xué)者認(rèn)為壩下游長(zhǎng)距離沖刷主要是由于水流挾沙力沿程增加. 如錢(qián)寧等[7]認(rèn)為床沙粒徑沿程變細(xì)導(dǎo)致水流挾沙力沿程增加，是壩下游長(zhǎng)距離沖刷的根本原因. 韓其為[8]認(rèn)為含沙量恢復(fù)距離很長(zhǎng)主要是因?yàn)楹哟步M成沿程變細(xì)，懸移質(zhì)泥沙與床沙顆粒之間的交換使得懸沙級(jí)配沿程變細(xì)，挾沙力沿程增加，從而導(dǎo)致細(xì)顆粒泥沙恢復(fù)距離較長(zhǎng). 也有部分學(xué)者如劉金梅等[9]從懸移質(zhì)擴(kuò)散方程出發(fā)，提出表層床沙粗化的概化計(jì)算模式及床沙交換速率計(jì)算公式，并采用黃河下游資料對(duì)該公式進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)表層床沙沖刷粗化致使挾沙力降低，是導(dǎo)致不平衡輸沙距離大大延長(zhǎng)的重要因素. 而另一類(lèi)觀點(diǎn)主要涉及床沙組成問(wèn)題. 如Li等[10]基于對(duì)已建大壩下游的實(shí)測(cè)資料分析后認(rèn)為，細(xì)顆粒泥沙恢復(fù)距離較長(zhǎng)主要是因?yàn)榇采逞a(bǔ)給不足. 陳飛等[11]認(rèn)為水庫(kù)運(yùn)用后近壩段各組泥沙均發(fā)生劇烈沖刷，河床粗化顯著；距離大壩較遠(yuǎn)的河段，只要上游河段有充足的泥沙補(bǔ)給，各粒徑組泥沙均能基本達(dá)到飽和；并指出水庫(kù)下游發(fā)生長(zhǎng)距離沖刷主要是因?yàn)榇采逞a(bǔ)給不足，尤其是細(xì)沙. 據(jù)此，有許多學(xué)者對(duì)壩下游河段非均勻沙的不平衡輸移特性進(jìn)行了研究. 例如，郭小虎等[12]根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析指出，三峽大壩下游粗沙(d>0.125 mm)在荊江河段基本可達(dá)飽和，其主要是因?yàn)榍G江段河床中存在大量較粗泥沙，而細(xì)沙含量很小，導(dǎo)致河床補(bǔ)給不足. 楊云平等[13]利用1987-2014年的實(shí)測(cè)水沙數(shù)據(jù)，分析了三峽大壩下游非均勻沙的輸移過(guò)程，發(fā)現(xiàn)蓄水后壩下游d<0.125 mm粒徑組含沙量沿程遞增，且小于蓄水前；d>0.125 mm (粗顆粒)含沙量在宜昌-監(jiān)利河段得到補(bǔ)給，其下游為淤積趨勢(shì). 陳建國(guó)等[14]分析了黃河下游實(shí)測(cè)水沙資料，探討了三門(mén)峽水庫(kù)不同典型運(yùn)用時(shí)段非均勻沙的沖淤特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水庫(kù)下泄清水，河床沖刷時(shí)，水流含沙量逐漸恢復(fù)，細(xì)沙恢復(fù)較慢，恢復(fù)距離長(zhǎng)，而中、粗泥沙恢復(fù)距離短. 雖然迄今有很多學(xué)者對(duì)壩下游河段非均勻沙不平衡輸移過(guò)程進(jìn)行了大量研究，但鮮有研究涉及定量分析不同粒徑組懸沙的恢復(fù)程度及其與來(lái)水來(lái)沙條件的關(guān)系. 故有必要進(jìn)一步研究壩下游典型河段非均勻沙含沙量的沿程恢復(fù)特性，從而提高對(duì)壩下游河段不平衡輸沙規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為河床沖淤過(guò)程預(yù)測(cè)提供理論依據(jù).

因此本文在已有研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)1994-2017年荊江段的實(shí)測(cè)水沙資料，分析三峽水庫(kù)運(yùn)用前后該河段非均勻懸移質(zhì)泥沙的不平衡輸移特點(diǎn)；提出恢復(fù)效率的概念用于表征懸移質(zhì)含沙量恢復(fù)的程度，計(jì)算蓄水前后荊江段分組沙的恢復(fù)效率，并建立其與河段進(jìn)口來(lái)水來(lái)沙條件的相關(guān)關(guān)系.

1 非均勻懸沙不平衡輸移特點(diǎn)

三峽水庫(kù)運(yùn)用后，泥沙淤積在庫(kù)區(qū)，壩下游荊江段懸移質(zhì)含沙量大幅下降，“清水”沖刷河床使得含沙量逐漸恢復(fù)從而趨向平衡輸沙狀態(tài). 天然河道中的泥沙往往為非均勻沙，各粒徑組含沙量也不盡相同，因此不同粒徑組懸沙的沿程恢復(fù)特點(diǎn)存在較大差異，僅研究全沙不足以準(zhǔn)確掌握壩下游不平衡輸沙規(guī)律. 故此處首先給出了荊江河段概況，然后根據(jù)不同粒徑懸沙的輸移特性，以0.125 mm為分界粒徑將其分為細(xì)沙(d<0.125 mm)和粗沙(d>0.125 mm)兩組，研究荊江段全沙及分組懸移質(zhì)輸沙量隨時(shí)間及沿程的變化特點(diǎn).

1.1 河段概況

長(zhǎng)江中游荊江段進(jìn)口位于三峽大壩下游約102 km處，上起枝城，下迄城陵磯，河段長(zhǎng)347.2 km. 根據(jù)地理環(huán)境與河道特性不同，以藕池口為界將其分為上、下兩段，其中上荊江長(zhǎng)度為171.7 km，為微彎分汊型河道，下荊江長(zhǎng)175.5 km，為典型的蜿蜒型河道(圖1). 荊江干流設(shè)有枝城、沙市和監(jiān)利3個(gè)水文站，南岸有松滋、太平和藕池三口分流匯入洞庭湖. 江口以上為卵石夾沙河床，河床中有卵礫石洲灘分布，江口以下為沙質(zhì)河床，床沙中值粒徑約為0.18 mm，卵石層深埋至床面以下[15]. 三峽工程運(yùn)用后(2003-2017年)，荊江段進(jìn)口枝城站多年平均水量約為4133億m3/a，較蓄水前(1994-2002年)的4421億m3/a減少了7%；而年均沙量(0.43億t/a)較蓄水前(3.48億t/a)驟減88%，河段處于嚴(yán)重的次飽和輸沙狀態(tài)，河床發(fā)生了顯著沖刷. 此外，荊江段汛期(5-10月)集中輸沙現(xiàn)象十分明顯(占全年來(lái)沙量的86%～99%)，故認(rèn)為該河段泥沙輸移及河床調(diào)整主要發(fā)生在汛期，非汛期輸沙的影響暫不考慮.

圖1 荊江河段示意圖Fig.1 Sketch of the Jingjiang Reach

1.2 懸移質(zhì)輸沙量變化

1.2.1 懸移質(zhì)輸沙量隨時(shí)間的變化 根據(jù)三峽水庫(kù)運(yùn)用情況，將荊江河段水沙變化分為4個(gè)階段：三峽水庫(kù)運(yùn)用前(1994-2002年)，荊江河段總體接近沖淤平衡狀態(tài)[16]；2003-2008年三峽水庫(kù)處于圍堰發(fā)電以及初期運(yùn)行狀態(tài)，水流處于次飽和狀態(tài)；2008年汛后開(kāi)始175 m試驗(yàn)性蓄水，河道來(lái)沙量進(jìn)一步降低；2013年開(kāi)始，溪洛渡水電站投入運(yùn)行，荊江河段來(lái)沙量繼續(xù)減少，河床持續(xù)沖刷.

受長(zhǎng)江上游干支流水電站的陸續(xù)運(yùn)用、水土保持工程的不斷實(shí)施、生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善以及三峽水庫(kù)運(yùn)用方式的改變等影響，荊江河段懸移質(zhì)輸沙量持續(xù)降低[17-19]. 圖2給出了荊江干流3個(gè)水文站(枝城、沙市和監(jiān)利)全沙及分組沙在三峽工程運(yùn)用前后的多年平均汛期輸沙量. 三峽水庫(kù)運(yùn)用后，汛期進(jìn)入該河段(枝城站)的各粒徑組沙量均持續(xù)減小，其中細(xì)沙較蓄水前降幅較大，而粗沙降幅較小. 三峽水庫(kù)運(yùn)用初期(2003-2008年)枝城站全沙和細(xì)沙多年平均輸沙量分別為0.73億和0.59億t/a，較蓄水前分別下降了80%和83%，而粗沙輸沙量(0.14億t/a)較蓄水前(0.22億t/a)僅下降了35%. 這主要是因?yàn)閺囊瞬街Τ嵌未采齿^粗，在次飽和水流沖刷過(guò)程中，河床中較多的粗沙補(bǔ)給到水流中，致使枝城站粗沙恢復(fù)程度較高.

圖2 荊江段不同時(shí)期各水文站輸沙量及荊江段分組沙沖淤量：(a)全沙；(b)細(xì)沙；(c)粗沙；(d)沖淤量Fig.2 Average annual suspended sediment discharges for different fractions at hydrometric stations in the Jingjiang Reach and the channel scour volume in the reach

汛期從該河段輸出(監(jiān)利站)的細(xì)沙量同樣持續(xù)下降，而輸出的粗沙量隨時(shí)間先增后減. 在上述4個(gè)階段，監(jiān)利站多年平均的細(xì)沙輸沙量分別為2.70億、0.60億、0.39億和0.13億t/a. 三峽水庫(kù)運(yùn)用初期(2003-2008年)，監(jiān)利站多年平均的汛期粗沙輸沙量為0.27億t/a，較蓄水前的0.20億t/a增大了35%；之后175 m試驗(yàn)蓄水期(2009-2013年)和溪洛渡水電站運(yùn)行后的時(shí)期(2014-2017年)監(jiān)利站相應(yīng)的平均粗沙輸沙量均為0.15億t/a，較蓄水初期略有減小.

1.2.2 懸移質(zhì)輸沙量沿程變化 次飽和水流持續(xù)沖刷河床，荊江河段各粒徑組沙量沿程都有不同程度的恢復(fù)，尤其粗沙部分(圖2a～c). 例如，2014-2017年間，枝城、沙市和監(jiān)利站多年平均的細(xì)沙輸沙量分別為 0.07億、0.11億和0.13億t/a，粗沙分別為0.01億、0.06億和0.15億t/a，均沿程明顯增大. 究其原因，主要是由于床沙的補(bǔ)給. 考慮三口分流的作用，采用輸沙量法計(jì)算了不同階段枝城-監(jiān)利河段的沖淤量，即河床的補(bǔ)給量(圖2d). 可知，2003-2017年荊江枝城-監(jiān)利段多年平均細(xì)沙和粗沙沖刷量分別為0.12億和0.14億t/a，粗沙沖刷量相對(duì)較大. 這也可以解釋前文所述荊江段出口(監(jiān)利站)不同粒徑懸沙量隨時(shí)間變化存在差異的原因. 細(xì)沙在該河段恢復(fù)的沙量小于上游來(lái)沙隨時(shí)間減少的沙量，故在監(jiān)利站細(xì)沙量仍隨時(shí)間呈明顯的下降趨勢(shì)；然而，蓄水初期(2003-2008年)粗沙在該河段內(nèi)的恢復(fù)量超過(guò)了上游來(lái)沙的減小量，故該時(shí)段監(jiān)利站多年平均的粗沙輸沙量超過(guò)了蓄水前的水平.

進(jìn)一步分析可知，不同粒徑組泥沙恢復(fù)程度的差異主要與荊江段的床沙組成有關(guān). 圖3給出了3個(gè)水文站(枝城、沙市和監(jiān)利)不同年份的汛后床沙級(jí)配. 該河段床沙中細(xì)沙所占的比例很小，2003年3個(gè)水文站床沙中值粒徑小于0.125 mm(細(xì)沙)占比分別僅為1.1%、4.3%和37.2%. 且隨著沖刷歷時(shí)的增大，細(xì)沙占比仍在不斷減小，到2017年細(xì)沙顆粒占比分別降至0.2%、0.2%和4.0%，因此河床不能為水流提供充足的細(xì)沙補(bǔ)給，故其恢復(fù)程度較小. 然而該河段河床中粗沙的含量較大，且該比例呈逐年增大的趨勢(shì)，河床中有足夠的粗沙提供補(bǔ)給，因此粗沙恢復(fù)程度較大.

圖3 荊江段各水文站不同年份實(shí)測(cè)床沙級(jí)配Fig.3 Measured bed-material grain-size distributions at hydrometric stations in the Jingjiang Reach

1.3 懸移質(zhì)組成變化

懸沙組成是影響河床沖淤的重要因素. 在不平衡輸沙過(guò)程中，懸沙與床沙發(fā)生交換，由于相同水流條件下不同粒徑泥沙的沖刷效率不同，導(dǎo)致懸沙級(jí)配也會(huì)發(fā)生變化[20]. 為充分了解壩下游非均勻沙不平衡輸移規(guī)律，有必要研究懸移質(zhì)組成的變化情況.

為直觀表示荊江段懸移質(zhì)組成的變化情況，圖4給出了枝城、沙市和監(jiān)利站汛期平均的懸移質(zhì)中值粒徑逐年變化過(guò)程. 可知，三峽水庫(kù)運(yùn)用前(1994-2002年)，荊江段各水文站懸移質(zhì)中值粒徑相差不大，且隨時(shí)間無(wú)明顯變化，其數(shù)值均在0.010 mm左右. 蓄水后(2003-2017年)，該河段各水文站懸移質(zhì)均有不同程度的粗化，對(duì)比3條趨勢(shì)線切線的斜率可知，懸移質(zhì)粗化程度為監(jiān)利>沙市>枝城. 枝城站懸移質(zhì)中值粒徑由2003年的0.011 mm增大到了2017年的0.016 mm，沙市站由2003年的0.017 mm增大到了2017年的0.053 mm，而監(jiān)利站由2003年的0.017 mm增大到了0.176 mm，增幅最大，粗化最為顯著. 此外，該河段懸移質(zhì)中值粒徑沿程增大，2003-2017年3個(gè)水文站多年平均懸移質(zhì)中值粒徑分別為0.01、0.02和0.07 mm. 這主要是由于次飽和水流的沖刷作用，使荊江段較粗的床沙顆粒補(bǔ)給到挾沙水流中.

圖4 荊江段各水文站懸移質(zhì)中值粒徑的逐年變化過(guò)程Fig.4 Temporal variations in medium diameters of suspended sediment at each hydrometric station of the Jingjiang Reach

2 分組懸沙恢復(fù)效率計(jì)算及結(jié)果分析

上節(jié)已從沖淤量的角度分析了荊江段不平衡輸沙過(guò)程中分組沙的恢復(fù)情況，但由于水流中不同粒徑泥沙的占比不同，不能簡(jiǎn)單根據(jù)沖淤量判斷懸沙恢復(fù)的程度. 韓其為等[21]從含沙量與挾沙力的關(guān)系出發(fā)，認(rèn)為含沙量向挾沙力靠攏的過(guò)程為含沙量的恢復(fù)過(guò)程. 在同一水流條件下，細(xì)沙的挾沙力通常遠(yuǎn)大于粗沙，在細(xì)沙和粗沙的河床沖刷補(bǔ)給量相近時(shí)，可能粗沙已基本達(dá)到平衡狀態(tài)，而細(xì)沙仍處于嚴(yán)重非飽和狀態(tài)，單純分析不同粒徑組泥沙的河床沖淤量不能很好地反映非均勻沙的恢復(fù)效率. 因此，此處采用研究河段的河床沖淤量與進(jìn)入該河段的沙量之比來(lái)表征非均勻沙的恢復(fù)效率. 需說(shuō)明的是，通常情況下由于泥沙及地形測(cè)量誤差、斷面布置以及河道采砂的影響，地形法和輸沙量法計(jì)算所得沖淤成果存在一定的差異. 但是由于目前采用地形法難以準(zhǔn)確確定分組沙的沖淤量，而本文研究重點(diǎn)為不同粒徑組懸沙的恢復(fù)特性，故采用了輸沙量法確定分組沙沖淤量. 在河槽形態(tài)調(diào)整不大且床沙級(jí)配隨時(shí)間變化不大的情況下，進(jìn)口水沙條件是影響懸移質(zhì)泥沙輸移及恢復(fù)的主要因素. 故此處建立荊江段非均勻懸沙恢復(fù)效率與河段來(lái)水來(lái)沙條件之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，用以分析來(lái)水來(lái)沙條件對(duì)恢復(fù)效率的影響特點(diǎn).

2.1 計(jì)算方法

2.1.1 恢復(fù)效率的概念及計(jì)算 將荊江段內(nèi)第k粒徑組沙的河床沖淤量(淤積為正，沖刷為負(fù))與進(jìn)入該河段第k粒徑組懸沙量的比值記作第k粒徑組懸沙的恢復(fù)效率(λk). 考慮到荊江三口(松滋、太平、藕池口)分流分沙作用，以枝城站汛期第k粒徑組懸沙的來(lái)沙量Wsk,ZC作為進(jìn)入荊江段的第k粒徑組沙量Wsk,in，以監(jiān)利汛期第k粒徑組懸沙的沙量Wsk,JL與三口汛期第k粒徑組懸沙的分沙量Wsk,TH之和作為荊江河段第k粒徑組懸沙的輸沙量Wsk,out，由此可得荊江段第k粒徑組懸沙的恢復(fù)效率，相應(yīng)計(jì)算公式如下：

λk=(Wsk,in-Wsk,out)/Wsk,in=(Wsk,ZC-(Wsk,JL+Wsk,TH))/Wsk,ZC

(1)

顯然，λk>0時(shí)，第k粒徑組懸沙處于超飽和狀態(tài)，河床淤積；λk<0時(shí)，第k粒徑組懸沙處于次飽和狀態(tài)，河床沖刷；λk接近0時(shí)懸移質(zhì)近似處于平衡輸沙狀態(tài)，河床不沖不淤. 在不平衡輸沙狀態(tài)下，λk的絕對(duì)值越大，懸沙向平衡狀態(tài)恢復(fù)的程度越高.

2.1.2 來(lái)水來(lái)沙條件計(jì)算 來(lái)水來(lái)沙條件是影響河床演變的主要因素之一[22]. 對(duì)于沖積河流，通常采用來(lái)沙系數(shù)來(lái)表征來(lái)水來(lái)沙條件[23]. 來(lái)沙系數(shù)一般指特定時(shí)段內(nèi)平均含沙量與相應(yīng)流量的比值(為避免其數(shù)值過(guò)小，按104放大)，其代表了單位流量含沙量的大小. 分組沙來(lái)沙系數(shù)的計(jì)算公式為：

(2)

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 非均勻沙恢復(fù)效率 根據(jù)1994-2017年實(shí)測(cè)水沙數(shù)據(jù)，采用式(1)計(jì)算所得荊江段細(xì)沙及粗沙恢復(fù)效率，如圖5a所示. 可知：三峽水庫(kù)運(yùn)用前，荊江段細(xì)沙及粗沙恢復(fù)效率差別不大，且其絕對(duì)值都接近0；三峽水庫(kù)運(yùn)用后，研究河段細(xì)沙及粗沙恢復(fù)效率均變?yōu)樨?fù)值，且其絕對(duì)值均一定程度增大，其中粗沙恢復(fù)效率的絕對(duì)值遠(yuǎn)大于細(xì)沙，且隨時(shí)間呈增大趨勢(shì). 這主要是由于三峽水庫(kù)運(yùn)用前，荊江段總體接近輸沙平衡狀態(tài)，懸移質(zhì)輸沙量沿程變化不大，故多年平均汛期細(xì)沙和粗沙恢復(fù)效率絕對(duì)值均很小，其數(shù)值均為0.04. 三峽水庫(kù)運(yùn)用后，荊江段各粒徑組懸沙的恢復(fù)效率絕對(duì)值較蓄水前均明顯增大，這主要是由于水庫(kù)運(yùn)用后，各粒徑組懸沙均處于嚴(yán)重次飽和輸沙狀態(tài)，為了恢復(fù)輸沙平衡狀態(tài)，河床顯著沖刷，各粒徑組懸移質(zhì)含沙量沿程恢復(fù). 然而，不同粒徑組懸沙恢復(fù)效率存在顯著差異. 汛期粗沙恢復(fù)效率介于-53.43～0.37之間，其多年平均值為-14.07，且其絕對(duì)值隨沖刷歷時(shí)增加呈明顯的增大趨勢(shì)；而細(xì)沙恢復(fù)效率絕對(duì)值遠(yuǎn)小于粗沙，變化范圍為-1.56～-0.17，其絕對(duì)值也隨沖刷歷時(shí)增加但增幅不大. 這主要是因?yàn)榇采持屑?xì)沙占比很小，在次飽和沖刷過(guò)程中，河床不能為水流提供充足的細(xì)沙補(bǔ)給，因此細(xì)沙的恢復(fù)存在一定限制，而床沙中粗沙占比較大，恢復(fù)不存在限制，故其恢復(fù)效率絕對(duì)值增幅也更大.

2.2.2 來(lái)沙系數(shù) 三峽水庫(kù)運(yùn)用后(2003-2017年)，由于水庫(kù)的攔蓄作用，三峽大壩下泄水流的含沙量大幅降低，而下泄流量變幅不大，因此荊江段來(lái)沙系數(shù)急劇減小(圖5b). 蓄水后，多年平均汛期全沙來(lái)沙系數(shù)僅為0.07 (kg·s)/m6，較蓄水前的0.50 (kg·s)/m6減小了86%；細(xì)沙來(lái)沙系數(shù)為0.06 (kg·s)/m6，較蓄水前(0.47 (kg·s)/m6)減小了87%；粗沙為0.01 (kg·s)/m6，相比蓄水前(0.03 (kg·s)/m6)下降了66%. 整體上，各粒徑組懸沙來(lái)沙系數(shù)均大幅下降，水流處于嚴(yán)重的次飽和狀態(tài)，河床發(fā)生劇烈沖刷.

圖5 1994-2017年分組懸沙的恢復(fù)效率與來(lái)沙系數(shù)：恢復(fù)效率(a)；來(lái)沙系數(shù)(b)Fig.5 Calculated results for grouped sediment from 1994 to 2017:recovery efficiency (a); incoming sediment coefficient (b)

2.3 非均勻沙恢復(fù)效率與來(lái)水來(lái)沙條件的關(guān)系

當(dāng)河段來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生波動(dòng)時(shí)，河床會(huì)做出自動(dòng)調(diào)整來(lái)適應(yīng)這種變化. 在壩下游河段的不平衡輸沙過(guò)程中，床沙級(jí)配隨時(shí)間變化不大的情況下，來(lái)水來(lái)沙條件是最直接影響到非均勻沙沿程恢復(fù)情況(也即分組沙的恢復(fù)效率)的因素，因此有必要研究?jī)烧咧g的關(guān)系，從而提高對(duì)于壩下游含沙量恢復(fù)特性的認(rèn)識(shí). 根據(jù)上述計(jì)算所得2003-2017年恢復(fù)效率和來(lái)沙系數(shù)結(jié)果，建立了全沙及分組沙恢復(fù)效率與來(lái)沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系. 采用對(duì)數(shù)關(guān)系擬合，兩者決定系數(shù)最高，結(jié)果如圖6所示.

圖6 非均勻沙恢復(fù)效率與來(lái)沙系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between the recovery efficiency for each group and the incoming sediment coefficient

全沙、細(xì)沙和粗沙恢復(fù)效率與來(lái)沙系數(shù)的決定系數(shù)分別為0.89、0.67和0.69，總體上荊江段分組沙恢復(fù)效率可較好地對(duì)來(lái)水來(lái)沙條件作出響應(yīng). 其中細(xì)沙及粗沙的決定系數(shù)較全沙有所減小，這主要是由于懸沙級(jí)配測(cè)量存在一定誤差. 在來(lái)沙系數(shù)很小也即水流不飽和程度很高時(shí)，恢復(fù)效率為負(fù)值且其絕對(duì)值很大，河床處于沖刷狀態(tài)；當(dāng)來(lái)沙系數(shù)增大到一定程度時(shí)，也即水流由次飽和狀態(tài)變?yōu)槌柡蜖顟B(tài)時(shí)，恢復(fù)效率由負(fù)變?yōu)檎?，懸移質(zhì)淤積到河床上，這說(shuō)明該計(jì)算關(guān)系與實(shí)際物理過(guò)程相符，具有合理性. 此外，根據(jù)擬合所得關(guān)系式可求得一個(gè)恢復(fù)效率為0(沖淤平衡)時(shí)的來(lái)沙系數(shù)臨界值，全沙、細(xì)沙和粗沙的臨界值分別為0.142、0.161和0.019 (kg·s)/m6. 可知，粗沙由淤積狀態(tài)變?yōu)闆_刷狀態(tài)的臨界來(lái)沙系數(shù)明顯小于細(xì)沙，這主要是由于泥沙粒徑越大，越難將其從河床上沖起，相應(yīng)水流需達(dá)到的次飽和程度也越高(也即來(lái)沙系數(shù)越小).

3 結(jié)論

根據(jù)1994-2017年荊江段實(shí)測(cè)水沙資料，分析了三峽水庫(kù)運(yùn)用前后荊江段非均勻懸沙恢復(fù)特點(diǎn)；提出了恢復(fù)效率的概念用來(lái)表征懸移質(zhì)沿程恢復(fù)的程度，并計(jì)算了荊江段不同粒徑組懸沙的恢復(fù)效率；建立了非均勻沙恢復(fù)效率與來(lái)沙系數(shù)的關(guān)系，定量確定了來(lái)水來(lái)沙條件對(duì)荊江段懸沙沿程恢復(fù)的影響. 主要結(jié)論如下：

1)1994-2017年進(jìn)入荊江段的各粒徑組沙量均持續(xù)減小，“清水”持續(xù)沖刷河床，使得各粒徑組懸沙量沿程恢復(fù). 由于荊江段床沙中粗沙(d>0.125 mm)含量大，而細(xì)沙(d<0.125 mm)含量小，使得細(xì)沙恢復(fù)程度較低而粗沙恢復(fù)程度較高，導(dǎo)致懸沙隨時(shí)間及沿程均顯著粗化.

2)三峽水庫(kù)運(yùn)用前，荊江段恢復(fù)效率絕對(duì)值接近0，表明河段沖淤變幅不大；蓄水后，各粒徑懸移質(zhì)恢復(fù)效率絕對(duì)值均明顯增大，其中粗沙恢復(fù)效率絕對(duì)值遠(yuǎn)大于細(xì)沙，且隨沖刷歷時(shí)增加呈明顯增大趨勢(shì). 不同粒徑懸移質(zhì)泥沙恢復(fù)效率均與來(lái)沙系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，且決定系數(shù)較高(R2=0.67～0.89)，因此在研究時(shí)段內(nèi)非均勻懸沙的恢復(fù)效率主要受到進(jìn)口來(lái)水來(lái)沙條件的影響.