黃河下游游蕩型河段床面形態(tài)變化特征

張?jiān)h 王平

摘要：床面形態(tài)是水流阻力及泥沙輸移的重要組成部分。利用床面形態(tài)控制數(shù)及床面形態(tài)判別方法，結(jié)合黃河下游花園口河段多波束水下三維地形及河床縱剖面資料，研究發(fā)現(xiàn)黃河下游游蕩型河段床面形態(tài)主要表現(xiàn)為沙壟、過(guò)渡及動(dòng)平整。當(dāng)流量逐漸增大時(shí)，床面形態(tài)逐漸由沙壟向過(guò)渡、動(dòng)平整方向發(fā)展。天然條件下，當(dāng)流量小于1500m3/s時(shí)，床面主要表現(xiàn)為沙壟，床面形態(tài)的波長(zhǎng)與波高之比平均為550；當(dāng)流量大于2000m3/s時(shí)，床面形態(tài)主要為動(dòng)平整。在持續(xù)沖刷條件下，當(dāng)流量小于1500m3/s時(shí)，床面形態(tài)表現(xiàn)為雙尺度沙壟，即波高為0.2～1.2m的小尺度沙壟疊加在波高為2～3m的大尺度沙壟的迎水面與背水面上。

關(guān)鍵詞：動(dòng)平整；雙尺度沙壟；床面形態(tài)；游蕩型河段；黃河下游

中圖分類(lèi)號(hào)：TV147；TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.002

黃河下游高村以上河段是典型的游蕩型河段，水流寬淺散亂，擺動(dòng)頻繁，河槽易淤善沖，沙洲發(fā)育。小浪底水庫(kù)修建前，黃河下游花園口河段1965-1999年床沙及懸移質(zhì)平均中值粒徑分別為0.094、0.021mm。小浪底水庫(kù)攔沙運(yùn)用后，河床持續(xù)沖刷、粗化，目前花園口河段的床沙中值粒徑約為0.2mm。黃河下游為典型的沖積性河流，不同學(xué)者對(duì)其床面形態(tài)特征有很多爭(zhēng)議。VanrijnL-C.認(rèn)為對(duì)于床沙粒徑小于0.1mm的沖積性河流，一般不會(huì)出現(xiàn)沙壟，床面表現(xiàn)為動(dòng)平整，或者表現(xiàn)為具有光滑床面或沙紋的大尺度沙波：VandenbergJ.H.等則提出當(dāng)泥沙粒徑參數(shù)D*（可由泥沙中值粒徑、黏性系數(shù)及泥沙密度求得）小于2時(shí)，床面不存在沙壟：BassJ.H.等利用床沙粒徑分別為0.095、0.076mm的泥沙進(jìn)行了系列水槽試驗(yàn)，在床面演變過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)沙壟：王士強(qiáng)認(rèn)為在同樣的床沙條件下，水深幾十厘米（水槽試驗(yàn)水深）的水中不會(huì)產(chǎn)生沙壟，但是在水深較大條件下會(huì)出現(xiàn)沙壟。黃河下游花園口河段曾觀測(cè)到沙壟的存在，沙壟波高一般不超過(guò)2m，波長(zhǎng)一般為數(shù)百米，有時(shí)也超過(guò)1km。由于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)條件及觀測(cè)精度較差，對(duì)黃河下游床面形態(tài)基本特征仍未有清晰且統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，因此筆者所在團(tuán)隊(duì)于2016年利用多波束超聲測(cè)深系統(tǒng)（MBES）在黃河下游花園口水文站附近進(jìn)行了床面形態(tài)的系統(tǒng)觀測(cè)，并對(duì)其床面形態(tài)特征及變化過(guò)程進(jìn)行了深人研究。

1 花園口河段床面形態(tài)觀測(cè)

黃河下游含沙量大、河道地形復(fù)雜，床面形態(tài)觀測(cè)十分困難?；▓@口河床演變測(cè)驗(yàn)隊(duì)于1959年在花園口水文站（基）附近約6km的相對(duì)順直河段內(nèi)，利用劃子（小船）、測(cè)深桿等自上而下進(jìn)行了主槽縱剖面觀測(cè)，水流方向相鄰兩測(cè)點(diǎn)距離約為20m。觀測(cè)期間，花園口水文站流量為600～2200m3/s，含沙量為10～52kg/m3，床沙中值粒徑為0.085～0.130mm。3次觀測(cè)分別獲得了18、12、15條主槽河床縱剖面數(shù)據(jù)，可用于床面形態(tài)特征及變化的初步分析。

2016年7月，在花園口水文站測(cè)流斷面以上河段，利用R2Sonic2024寬帶多波束超聲測(cè)深系統(tǒng)，在主槽中觀測(cè)了寬60～80m、長(zhǎng)4000m范圍的水下地形。MBES的T作頻率分別為200、400kHz，沿垂直航跡方向波束寬度角分別為140°、165°，最大測(cè)深為500m，精度為6mm。觀測(cè)期間，花園口水文站流量為670～1200m3/S，含沙量小于1kg/m3，床沙中值粒徑為0.2mm左右，獲得了3次三維水下地形數(shù)據(jù)。

2 床面形態(tài)幾何特征

室內(nèi)試驗(yàn)表明，床面形態(tài)按照水流的能態(tài)可分為低能態(tài)（平整、沙紋、沙壟）、過(guò)渡及高能態(tài)（動(dòng)平整、逆行沙波、急灘與深潭）。低能態(tài)床面形態(tài)水流強(qiáng)度小、輸沙能力弱，高能態(tài)床面形態(tài)水流強(qiáng)度大、輸沙能力強(qiáng)。大型河流床面形態(tài)往往表現(xiàn)為其中的幾種。黃河下游花園口河段的床面地形觀測(cè)表明，其床面形態(tài)主要表現(xiàn)為沙壟.過(guò)渡及動(dòng)平整等。

2.1 天然條件下床面形態(tài)幾何特征

1959年觀測(cè)到的花園口河段河床縱剖面基本上可以反映天然條件下黃河下游的床面形態(tài)。由圖1（a）可知，在流量為600～1000m3/S的條件下，花園口河段1959年4月的床面形態(tài)為明顯的沙壟，波高一般為1.3～2.9m，平均為2.2m；波長(zhǎng)為200～1600m，平均為900m；沙壟背水面傾角較小，一般小于3°，平均為0.90：沙壟波長(zhǎng)與波高的比值一般在160～600之間，平均為380，明顯大于密西西比河及室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)值（10～100）。

當(dāng)花園口站流量大于1500m3/s并逐漸增大時(shí)，沙壟尺度開(kāi)始減小并逐步向動(dòng)平整床面形態(tài)發(fā)展。圖l（b）為花園口河段1959年9月流量2160～2520m3/s時(shí)的河床縱剖面，可以看出小流量時(shí)的沙壟基本消失，只有局部地方出現(xiàn)起伏，床面基本表現(xiàn)為平整狀態(tài)。

2.2 河道持續(xù)沖刷條件下的床面形態(tài)幾何特征

小浪底水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，黃河下游河道持續(xù)沖刷，床沙粗化。截至2016年，黃河下游游蕩型河段主槽河床平均降低2.5m。2016年7月，利用多波速超聲測(cè)深系統(tǒng)在花園口河段進(jìn)行了三維水下地形觀測(cè)，結(jié)果表明：在小流量、含沙量較低的條件下，床面形態(tài)為發(fā)育的雙尺度沙壟，即在大尺度沙壟的迎水面及背水面上疊加了小尺度沙壟。圖2為2016年7月7日花園口河段主槽縱剖面，該剖面由三維地形圖沿主槽中心線切割而成，相應(yīng)的花園口站流量約為1200m3/S，含沙量為0.5kg/m3。從整個(gè)觀測(cè)河段來(lái)看，床面為十分發(fā)育的大尺度沙壟，沙壟波高1.2～2.6m，平均為1.9m；波長(zhǎng)800～1300m，平均為1035m，波長(zhǎng)與波高比平均為550，平均背水面傾角為0.4°。由圖2（b）可知，局部迎水面及背水面河段的床面為明顯的小尺度沙壟，波高為0.2～1.2m，波長(zhǎng)為10～30m，小尺度沙壟與其他河流的沙壟較為相似?？梢?jiàn)，黃河下游花園口河段小流量時(shí)的床面形態(tài)表現(xiàn)為明顯的雙尺度沙壟。

3 床面形態(tài)幾何尺度關(guān)系

影響床面形態(tài)幾何尺度的因素很多，Vanrijn.C.認(rèn)為主要有水深、泥沙粒徑及摩阻流速。黃河下游為典型的強(qiáng)沖積性河流，床面形態(tài)隨水沙條件的變化調(diào)整迅速。一般情況下，流量由小到大再由大到小，床面形態(tài)表現(xiàn)為低能態(tài)一高能態(tài)一低能態(tài)的發(fā)展過(guò)程。黃河下游床面形態(tài)實(shí)測(cè)資料表明，當(dāng)床面為沙壟時(shí)，波高隨波長(zhǎng)的增大而增大。隨著波長(zhǎng)的繼續(xù)增大，沙壟消失，波高開(kāi)始減小，直至床面達(dá)到動(dòng)平整狀態(tài)時(shí)波高趨于零，見(jiàn)圖3。室內(nèi)試驗(yàn)的床面形態(tài)規(guī)模盡管遠(yuǎn)小于黃河下游的，但是波高隨波長(zhǎng)變化的趨勢(shì)基本一致。

由圖4、圖5可以看出，在流量大于1000m3/s時(shí)，黃河下游花園口河段床面形態(tài)的波高、背水面傾角隨著流量的增大呈減小趨勢(shì)。而當(dāng)流量在400～1500m3/S之間時(shí)，黃河下游床面形態(tài)的波高基本在2～3m，沙壟背水面傾角為1.5°～3.0°，為較發(fā)育的沙壟：當(dāng)流量大于2000m3/S時(shí)，波高減小至1m以下，沙壟背水面傾角減小至0.02°以下，甚至為0；波長(zhǎng)與波高比大幅度增大，沙壟趨于消失，床面處于過(guò)渡或動(dòng)平整狀態(tài)。GuyH-P.等在實(shí)驗(yàn)室條件下的試驗(yàn)資料表明，當(dāng)床面進(jìn)人過(guò)渡區(qū)或動(dòng)平整時(shí)，弗勞德數(shù)（Fr）在0.6以上，而黃河下游流量在2000m3/S左有時(shí)的Fr為0.4～0.6，黃河下游床面進(jìn)入過(guò)渡區(qū)或動(dòng)平整狀態(tài)的Fr明顯比相應(yīng)試驗(yàn)條件下的小。

4 黃河下游游蕩型河段床面形態(tài)基本特性

流經(jīng)床面沙壟的水流往往在波峰處產(chǎn)生分離，過(guò)流斷面突然擴(kuò)大，并在波谷區(qū)產(chǎn)生紊動(dòng)渦旋，然后在沙壟迎水面上重匯。基于這種分離一重匯模式，VerbanckM.A.引人床面形態(tài)控制數(shù)的概念進(jìn)行床面形態(tài)及水流阻力的研究，床面形態(tài)控制數(shù)為式中：m為床面形態(tài)控制數(shù)，m=l時(shí)水流阻力最小，相應(yīng)的床面形態(tài)為逆行沙波或沙紋，m=2時(shí)對(duì)應(yīng)的床面形態(tài)為完全發(fā)育的沙壟；s為水流能坡；Frc.為通用弗勞德數(shù)，對(duì)于野外河流，F(xiàn)rg可簡(jiǎn)化為Fr（Fr=V//gh，v為流速，g為重力加速度，h為水深）。

與曼寧糙率n的計(jì)算公式相比，m與n包含的因素相同，均為流速、能坡及水深等，m中s、h的指數(shù)較小。m與n均為反映水流阻力的參數(shù)，但是在小流量特別是在沙紋床面時(shí)，曼寧糙率往往較大，甚至大于沙壟床面的，與實(shí)際不符。因此，采用m反映水流阻力較為合理，且m為無(wú)量綱參數(shù)，物理概念明確。張?jiān)h等基于王士強(qiáng)和White提出的高能態(tài)區(qū)與低能態(tài)區(qū)的分界線關(guān)系，提出了表征床面形態(tài)的參數(shù)mh；式中：Dso為床沙中值粒徑；χ為指數(shù)，取-0.24。

式（2）中mb反映的是床面形態(tài)特征，前文m反映的是水流阻力，因此m-mh，關(guān)系可反映水流阻力對(duì)床面形態(tài)變化的響應(yīng)過(guò)程。圖6為利用GuyH-P.等粒徑為0.2～0.3mm的室內(nèi)試驗(yàn)資料點(diǎn)繪的m-mb關(guān)系（數(shù)字為SimonsD.B.等提出的床面形態(tài)編號(hào)：2為沙紋，3為沙壟，4為過(guò)渡，5為動(dòng)平整，6為逆行沙波，7為碎波，8為急灘與深潭）。為了減少試驗(yàn)水槽壁面對(duì)床面形態(tài)及水流結(jié)構(gòu)的影響，圖6中僅挑選了寬深比大于3的資料。由圖6可知，在沙紋階段，mb小于2，m小于1.5：mb增大到2左有時(shí)，m逐漸增大并達(dá)到最大值，床面形態(tài)由沙紋逐漸發(fā)展為沙壟并完全發(fā)育，水流阻力達(dá)到最大；隨著mb進(jìn)一步增大至4左右，沙壟逐漸變?nèi)?、消失，床面進(jìn)入過(guò)渡區(qū)，m則逐漸減小，水流阻力減??；當(dāng)mb達(dá)到5左有時(shí)，m接近1，床面基本為動(dòng)平整或逆行沙波；mb繼續(xù)增大，床面形態(tài)進(jìn)一步發(fā)展為碎波、急灘與深潭。圖6基本揭示了沙紋一沙壟一過(guò)渡一動(dòng)平整一逆行沙波一碎波一急灘與深潭的床面發(fā)展過(guò)程，并反映了阻力先增大后減小的變化過(guò)程。因此，mb能夠表征床面形態(tài)的基本特征。

圖7為由1959年黃河下游實(shí)測(cè)資料點(diǎn)繪的m-mb關(guān)系（圖中數(shù)字為實(shí)測(cè)床面形態(tài)的波高）。與圖6相比，圖7中沒(méi)有隨著mb的增大m逐漸增大的階段，也就是說(shuō)黃河下游幾乎沒(méi)有沙紋的存在，在流量較小時(shí)床面形態(tài)以沙壟為主。當(dāng)床面由沙壟向高能態(tài)區(qū)發(fā)展時(shí)，m與mb的變化規(guī)律與圖6基本一致，由于黃河下游含沙量高、泥沙粒徑小，因此同樣床面形態(tài)對(duì)應(yīng)的mb值與室內(nèi)試驗(yàn)相比偏大。當(dāng)mb小于4時(shí)，床面形態(tài)波高一般在2m及以上，主要為沙壟：當(dāng)mb為2左有時(shí)，沙壟最為發(fā)育，相應(yīng)流量為1000m3/S左右；當(dāng)mb大于6時(shí)，床面形態(tài)波高一般為0.5m左右，波長(zhǎng)超過(guò)2000m。盡管按照幾何尺寸定義，這時(shí)的床面形態(tài)應(yīng)為沙壟，但是從水流阻力變化特征來(lái)看，此時(shí)的動(dòng)床阻力最小，明顯不同于實(shí)驗(yàn)室沙壟的阻力特征。因此，從動(dòng)床阻力特征角度來(lái)講，黃河下游這一階段的床面形態(tài)應(yīng)為動(dòng)平整，相應(yīng)的流量為2000m3/S左右。當(dāng)流量繼續(xù)增大時(shí)，在局部河段、局部位置也可能出現(xiàn)逆行沙波或碎波等高能態(tài)床面，但是這種形態(tài)很不穩(wěn)定，整個(gè)床面仍以動(dòng)平整為主。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）黃河下游游蕩型河段床面形態(tài)特征明顯，流量逐漸增大時(shí)床面形態(tài)逐漸由沙壟向過(guò)渡、動(dòng)平整發(fā)展。天然條件下，流量小于1500m3/S時(shí)床面形態(tài)主要表現(xiàn)為沙壟，流量大于2000m3/S時(shí)床面形態(tài)主要表現(xiàn)為動(dòng)平整。

（2）持續(xù)沖刷條件下，流量小于1500m3/S時(shí)床面形態(tài)表現(xiàn)為雙尺度沙壟。大尺度沙壟平均波高1.9m，平均波長(zhǎng)1035m，平均波長(zhǎng)與波高之比為550；小尺度沙壟疊加在大尺度沙壟的迎水面與背水面，波高0.2～1.2m，波長(zhǎng)10～30m。

（3）床面形態(tài)的波長(zhǎng)與波高之比遠(yuǎn)大于其他河流的，平均為550。沙壟背水面傾角較小，一般小于3°。