汊道演變的水沙過程影響分析

劉曉芳　黃河清　樊金生

摘要：長江中下游許多汊道河段主支汊易位頻繁，但對產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要驅(qū)動機理與影響因素一直爭議不休。研究采用距平分析法、Marm-Kendall分析與基于分形理論的極差分析法相結(jié)合的方式，詳細(xì)分析了監(jiān)利河段1951年-2009年間流量和輸沙率時間序列年尺度的變化過程。結(jié)果表明，流量及輸沙率的Hurst數(shù)分別為0.943 0和0.923 9，均十分接近1.0，具有很強的持續(xù)性。Manrr Kendall分析發(fā)現(xiàn)，輸沙率序列無明顯突變，流量序列僅在1967年出現(xiàn)突變，主要由上游實施裁彎工程所致。系統(tǒng)分析來水來沙的匹配關(guān)系發(fā)現(xiàn)，該河段主支汊易位時間與水沙序列匹配狀態(tài)有明顯的相關(guān)關(guān)系，在“水多沙少”時期，監(jiān)利右汊為主汊；而在“沙多水少”時期，監(jiān)利左汊為主汊。

關(guān)鍵詞：監(jiān)利河段；分汊河道；主支汊易位；流量；輸沙率；匹配關(guān)系

中圖分類號：TV131.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0001-08

受到地形、地質(zhì)、氣候、植被等流域的自然地理因素及人類活動的影響，河道的來水來沙量會隨時間或空間的變化呈現(xiàn)顯著差異。由于河床演變是挾沙水流與河道邊界長時間相互作用的結(jié)果，因此水沙條件的變化會直接影響到河床的演變過程。在分汊河道中，來水來沙通過兩個或兩個以上的汊道輸運，并根據(jù)各汊道深泓線的高低來劃分主支汊。通常情況下，主汊的分流比更大，流速高，挾沙能力強，支汊則相反。由于不同分汊河道中主支汊縱剖面形態(tài)本身相差很大，再加上水沙條件的差異，就使得分汊河道的演變過程相差迥異，主支汊興衰交替的周期性差距很大，短則十多年，有些長達(dá)數(shù)百年不等。

汊道間的分流分沙常被認(rèn)為與主支汊興衰交替的周期性變化過程有著密切的關(guān)系。然而，分流分沙比是水沙過程與汊道床面形態(tài)相互作用的結(jié)果，水沙過程通過影響河床形態(tài)而使得汊道的分流分沙比發(fā)生調(diào)整，再加上人類活動的影響，使得分流分沙比變化頻繁，規(guī)律性更加難以把握。另外，汊道分流分沙的實測資料相對稀少且不連續(xù)，這些使得從分流分沙的角度研究主支汊興衰交替的周期性變化過程及趨勢存在很大的困難。

汊道的河床演變對于水文過程的響應(yīng)為學(xué)界所廣泛接受，然而很少有人研究河流水文序列的周期性、持續(xù)性和突變性是否對于主支汊易位的變化過程產(chǎn)生影響。水文序列通?？梢员硎緸橹芷谛浴②厔菪院碗S機性的組合，R/S分析方法可用于研究介于周期性和隨機性之間的時間序列，并被廣泛用于分析河道徑流過程的持續(xù)性。另外，人類活動（大壩水庫的修建、河道的裁彎取直等）會使得水文序列發(fā)生突變，引起河道床面形態(tài)、斷面形態(tài)甚至是平面形態(tài)的演變，Mann-Kendall是一種檢測氣象和水文序列是否發(fā)生突變的常用方法。河流自然的水文情勢指標(biāo)形成一系列的時間序列，最典型的時間序列為流量序列、輸沙率序列，由于彎道主流線曲率的變化是受到流量序列變化的影響，分汊河道主支汊易位很大程度上也源于主流的擺動，因此彎曲分汊河道中主流的擺動被認(rèn)為與其流量序列的變化密切相關(guān)，并在文獻[19]中得到證實。然而，當(dāng)流量增加時，輸沙率會呈現(xiàn)指數(shù)倍的增長，但很少有研究考慮輸沙率序列以及水沙匹配關(guān)系變化對于主汊位置輪換的影響。

監(jiān)利河段位于長江中游的下荊江的中部，長期以來主支汊易位頻繁發(fā)生。本研究以監(jiān)利河段為例，根據(jù)該河段流量和輸沙率年序列的實際觀測結(jié)果，采用時序距平分析法、ManrrKendall突變分析與基于分形理論的極差分析法相結(jié)合的方式，研究1951年-2009年間流量和輸沙率序列的持續(xù)性、突變性以及來水來沙之間的匹配關(guān)系，試圖揭示上述水沙特征對于分汊河道中主汊位置輪換可能產(chǎn)生的影響。

1研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1河段概況

監(jiān)利河段位于長江中游下荊江的中段，上起塔市驛，下至天字一號，全長約27 km，由監(jiān)利河彎和裁彎后的上車灣新河段組成。該河段為典型的彎曲分汊河型，曲率為1.72，烏龜洲將河彎水流分為左、右兩汊（圖1）。該河段的上下游在1967年和1969年先后實施了中洲子和上車灣人工裁彎。1972年7月，在該河段上游約35 km處的沙灘子發(fā)生了自然裁彎。河段內(nèi)設(shè)有監(jiān)利（姚圻腦）水文站，多年平均徑流為3543億m³，5月-10月徑流量占年徑流量的74%。河道泥沙主要來源于干流，多年平均輸沙量為3 174億t。輸沙量較徑流更加集中，5月-10月輸沙量占全年總輸沙量的90%以上。

1.2主支漢易位的歷史過程

據(jù)文獻記載，如圖2所示1931年特大洪水使得監(jiān)利右岸邊灘被主流切割成江心洲，監(jiān)利河段自此成為分汊河道，主流走右汊；到1934年，深泓移至右汊，左汊逐漸淤積衰退。隨著江心洲右緣的崩退和右岸（凸岸）邊灘的淤漲，到1945年前后，深泓擺動至左汊；1955年-1969年間，左汊穩(wěn)定發(fā)展為主汊，右汊有萎縮的趨勢；1971年汛后，上游邊灘下移，與烏龜洲洲頭低灘連成一體，將監(jiān)利左汊的口門堵塞，影響了左岸的進流條件，造成左汊衰退，右汊迅速發(fā)展。到1974年底，主流逐漸左移，到1975年枯水期，主流擺回到左汊。1976年、1977年左汊得到了一定的發(fā)展，然而到了1978年和1979年主流又逐漸右移，總體上兩汊的分流比在50%左右擺動，形成兩汊爭流的相持局面，到了1980年以后主流穩(wěn)定在左汊，左汊作為主汊的地位不斷的鞏固。到了20世紀(jì)90年代初再次形成兩汊相持、南北爭流的局面。一直到1993年，左汊不斷淤積縮窄，右汊則沖深展寬，兩汊的分流比在50%左右擺動。到了1994年汛后，右汊迅速發(fā)展起來，右汊的分流比已經(jīng)超過70%，開始逐漸成為主汊。

1.3數(shù)據(jù)來源

本文以長江中游監(jiān)利（姚圻腦）水文站1951年-2009年歷年月均流量及月均含沙量為基礎(chǔ)資料（數(shù)據(jù)來自長江流域水文年鑒），月均輸沙率由月均流量與月均含沙量的乘積求得，再將月均流量及月均輸沙率各自累加取平均值得到年均的流量及輸沙率。由于該水文站1960年7月至1966年3月期間停測，1970年-1974年期間向下游遷至洪山。為了保證整個水沙序列的連續(xù)性，前者采用上游新廠站月均流量與藕池河月均分流量的差值估算，后者則采用下遷的洪山站資料來代替。監(jiān)利、新廠、藕池口、洪山水文站的位置見圖1。

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