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1、第2卷第4期1983年12月地理研究GEO GRA PHICALRE S E A R C HVol.2,DecN0.4198 3边界条件对水库下游河床演变的影响带一以汉江丹江口水库下游河道为例许炯心(中国科学院地理研究所)提要通过野外考察和室 内自然摸型试验,本文探讨边界条件在水库下游再造床过程中的 作用。从土壤物理 力学性质与水 流作用力的对此关系出发,建立了河床边界抗冲性的定量指标:采用多元回归分析的方法,建立了调整之后的河床形态 与边界 条件、水动力条件之间的经验方程:还 运用钊别分析的方法,得到了区分水荤下游河床演变趋势的判别函数。来水来沙条件和 边界条件是影响 河床演变的基 本因素。
2、水库下游 来 水过程 受到调节,流量趋 于均 匀,可近似地看作常量;来沙已不再是 独 立变量,而成 为依赖于未水和边界条件 的因变量;边界条件的 作用 就更为突出。本文 把流量近似地看作常 量,探 讨水 库下游再造床 过程中横断面、纵断面及 平而形 态的调整与边界条件之问的定量 关系。研 究 的范围为汉江 中游丹江口至 宜 城河段,长16 ( l公里。一、河床边界松散沉积物特征及河床抗冲性的定量指标广义 的边界条件包 括河流流经 地区 的地 质构造、岩性、新 构 造运动、地貌 条件、河 岸及河底 的物质组成及 结构、河谷比降、支流状况、植被情况、工程 措施等。在上述 诸因素中,笔者着重考虑了河
3、床边界松散沉积物及 其物理力学性质,山此出发对边界条件进行定最化(一)河床边 界松 散沉积 物特征1.河床沉积物本河段河床物质组戊在水平分布上遵循沿程 变细的一般规津,在垂道结构上表现 为砂层和卵 石层 的交替。丹 江口至光化,床而物质为邓石夹砂,卵石粒径一般为2至4厘米。光化以 下,除光化至襄樊间局部浅滩偶见卵石之 外,一般为砂质河床,自中木文1,吕2年i月12日收到,198 3羊6月20日收到修 改稿。.木文是在导师沈玉昌先生指导下完。妙七,亚承线宁 先生、罗来兴先 尘,曾吸华先生市阅 业 褪出宝贵念 见;工汗泣程二得到龚国元同志的辅导和叶青迢、尤联尤、陆平臣、洪笑天、金德生、祁夫伍 井同
4、志的帮助,谨此一 并 效以衷 心的谢4期许炯心:边界条件对水库下游河床演变的影响砂渐 次 变 为细砂,共 中径为。.3 1在至。.13 3毫米。全河 段床 面 下均有 卵 石层,其组成也表现为沿程 变细,埋藏深 度 向下游逐 渐增加。河床松 散沉积物 的总 厚 度沿程 增 大,一般在5米至7 0米之 间。丹 江口水库建成之 后,下泄清水,河床 边界组成物质受到改造,河床质 不断粗化。丹江口至光化段,10 75年 的河 床质组成细砂 占3.5%、中砂知.7%、粗砂17.4%、卵砾石占4 8.4%,粗化已基本完成。光化至 太平店段河床质 中径由1 ,59年 的。.2 。名毫米,1叮5年 啊加到。.
5、3 8 毫米,同一 时期 内,太平店至襄阳段河 床质中径由,.23毫米增 加 到G.郡毫米。河床质的粗化,使得河底物 质的抗 冲性不断增加。2.河岸沉积物河 岸组成物质因河岸所处的地貌部位不同而异.厚度一 般 在1 。米至丁术之间。二级 阶 地主要由红色粘土组成,含 铁锰 结核,结 构致 密。级阶 地河岸的物质组成成地而异,可分 成 粘土,粘_仁与亚 粘土 互层;_卜部亚枯土中部砂下部 卵石;上部亚 拈土下部砂,亚粘土与砂 互 层等,结 构一般为中等密度高河漫滩河岸,卜部为薄层粉砂、中部为中细 砂、下部为卵石,或!:部为亚 砂二!几、下部为 中细 砂,结 构 中等密度至疏松。低河漫滩 也常常构
6、成河岸的一部分,其组成物质为卵石夹砂或 中砂、细砂,结 构疏 松_建库以后,水 流下切,滩 槽 高差 靖加,河 岸对 水流的 约束性加 强但另一方而,河 岸基部松散砂层的厚度 增加,使 得河岸剖 面 中粉砂枯土含 量的平均液略 有减少,抗冲 性 因 而降低。与此同时,河 底抗冲性 大为 增 加,故 河 岸相 对于河底 的杭 冲性减 小了(二)河床抗冲性的定 量指标河 床抗冲性的定量指 标的研究已有很多,如Sohumm二、柴 挺生1)、俞 俊2)、尹学良二“和中国科学院地 理研 究所地貌室长江组3 )等比 较 前少、的研 究成果,笔者认 为:1)提出抗冲性指 标,应该着眼 于边界物质 的抵抗力和
7、水流 作用力 的对比关系;2)由于河岸物质和河底物质运 动 的机理不 完蚕一 样(后者主要是水流切力少;丁:临界切 力而起动,前者除此之 处还有 重力崩塌作用),故 应将 河底、河岸的抗冲性与河决杜对于河底的抗冲性加以区分。从 这两 点出发,试图建 立新 的河 床抗冲性 指标若用K表示抗冲性,则应有K=工旦T(1)式 中T:为河 床(河 底或河岸)物 质的临界切力,T为水流切力;叮岸相对于 河底 的抗冲性 则可用下 式 表示:r._K 岸几 州一K底(2)式;:K拦、K底分 别 表示河岸,河 底 的抗冲性。华挺生:长江巾下游河相关柔分析研究,南京 水利科学院研究所研究报告汇编,1弓93年。俞俊
8、:冲积平原河汉汁目关系,长江水利科学研究院河流室,19 心3年。3)牛国科学院地理研究 所地貌室长江组:长江城陵矶至江阴间河床1左界条护一 及共 与分认州耐道形成演变的关系,1977年。6 2地理研究2卷运 用Lan e3确立的 非粘性粗颗粒物质的临界切力 以及 河底、河岸水流最大 切力公式,可以导 出非 粘性条件下的抗冲指 标:K 底二(丫一Y)Dtg甲YHJK岸二业一丫)De o SO侧馆豆而万花印0.7 6Y HJK 相一D岸“。了花乏而 摩二暗2。0.7 6D 底tg 甲底(3)(4)(5)式中D为粒径,甲为内摩擦角,0为河岸边坡角,丫、丫s分 别为 水、沙的比重,下 标“底”、“岸”
9、分别代 表河底、河岸,H为水深,J为此降。汉江因缺河底物质 内摩擦角的资料,其河 岸不 能视 为非 粘性物质,故 不能 直接使用上述指标。L elia vsky4及Lan e3分别从实验室和野 外资料中得 出 了临界切力:。O CD的结论,代 入(1)可 得:K底=DY HJ(6)Smordon及Be a sley发现,粘性物质的临界切力正 比于 粉砂 粘上含量M5,由 此得:K岸二M0.76Y HJ(7)对于相 对抗冲性,没 有 采用(6)式 与(7)式相除的 形式,而用了 如 下的 经验性指标:M 入相二、不一二二上J一I LI(8)M式中m为河岸边 坡系数。竺仍然表 示河 岸抗冲性 与河
10、底抗冲性之 比。引进边 坡 系 数是 D-一考虑到抗 冲性较强 的河岸,其边 坡系数较小。又由于河岸粉砂粘土含量M较大时,其抗冲性亦强,故M/m越大,河 岸抗冲性 也越强。在表 示河岸抗冲性时 同时采用M与m,此只考虑粉砂粘土含量M耍全 面一些,因为影响河 岸抗冲性的其他一些难 以定 量的 因素如河岸 层次结构等,可 以间接 地反映在边 坡 系数m中。这也就是本文在表征 相对抗冲 性时 没有 采用K 相二K岸/K 底二M/0.76D的原因。(8)式中的D用来表示河 底物质 的抗冲性。(7)、(8)两 式适用于粘性物质,而不 适用于 非粘 胜物 质。本文 在分析汉 江资料时采用了(6)(8)式给
11、 出的指 标。4期许炯心:边 界条 件对水库下游河床演变 的影 响二、河床边界条件与纵剖面调 整的 关系(一)比降的调整水库下游 河床粗化 方式 及程 度决 定 着纵剖而调整 之后沿 程水流 能 量的再 分配,河 岸对水流 的约 束 则决 定 着下蚀与侧 蚀的对比关系,上 述两个方面 的沿程差异也就 决定 了比降调整的畜合程差异。为 了揭示 比降的调整与河床质粗化的关 系,将粗化 前的 比降(1 96 2年)及粗化后的比降(19 74年)分 别与相应 的河 床 质中径建 立相 关,可得下 列二式:J:=2 0D:已;2)J,。=24.oD互已:、)式中J.:、J,.为1 9 6 2年和107
12、4年的 比降,单位为万 分率;D及19 7 4年 的河床质 中径,单位为毫米。(9)(1IJ)_J.J_二,、取了二上为钊另U式J一,显然,若1则 比降加陡。将(9)、(1。)两 式 代入$ l J 别式,:。(62)、D,。(:.)分别为19 62年若李,=,则平 行 下 切:若 旧 J:一”, J“,“得:(1 1)9一刀生一n,一一2 一一月,念曰才6了J工TJ令之分别小 于1,等于1,大于1,解之 可得如下钊别 关 系:若DS。74,。.9 1D;6;:)则比降调 平;则 比降不 变(平行下 切);则此降加陡。上述关系说明,依河床质粗化方式和程 度 的 不同,比降的调整 有三种可能性。
13、由于某种特殊 的 条件,使河床质 的变粗超过了某一限 度,此降也有 加陡的可 能。例 如切到 卵石层,即可出现 达种情况当然,资料表 明,此降调平是更为普遍 的现 象,比 降加陡则是局部的现象。另一方面,河岸的约束性对比降的调整也 起 着不容忽视的 作用。因为,若河 岸粉砂枯上含量M值较大,侧蚀不易,水流趋 于课切,则比降调平 的程 度一也大。为此,将判别 式J,厂J。2对于 河岸M值建立相关,可得下式:翔=36M一 。” 一。7 3(12)弓4地理研咒2卷合上式右端分别小 于1,等 于1,大 于1,可 分别 得到比降调 平、此降不 变、此降加陡的$ l j别关系。由方 程M一2=1可解得M=
14、3.8,此即为 比降加陡的临界值,即小 于此值时此降加陡,大于此值时 比降调平。除去 受支 流影响 的断面以外,所研究 河 段有 河岸M值资料 的断面 中,共 有7处比降加 陡,其中M植小于3.8的有6处,其余的 均为比降调平,其 河岸M恒全部大于3.8。(二)清水冲刷条件下的平衡纵 比降由于所研究河段 重建纵向平衡的 过程 正 在进行,故无 法运用野外资料进行分析,式(1的一(12)也不能代表平衡比降。作为 对 野外资料的 补充,对此进行了模型试 验研究。如 所周 知,在一般情 况下,纵向平衡需耍满足 的条件是:纵 向输沙平衡,即水流 含 沙量等于挟沙能 力;或者力的 平 衡,即水 流切力等
15、于床 面颗粒 的临界切力。注下泄清水 的 条件下,所满足的是后一条件:T二下c在Meyer一pete r公式中,lj苗界切j J下。=K:(丫s一丫)D式 中D为平均粒 径,K,为常数,等于.04了。. 又下=丫HJ将以:三式 与 曼宁公式、水流连续方程 联立求解,可得平 衡 此降表达式:J一K:。/7(“,_一丫)。/D!。/了n一Q、丫,尹学 良 在 水定河的研究表明6,n二D/是 适用于库下游粗化床 面 的,若D用粗化层 的 下限粒径,则KZ勺/7B/7二21。将” =D/6 代入平衡比降表 达式中,得:J一K;。/7K;/7(立创、。/DL;Q一/,B/一丫,令K二K:。/,K。/,。
16、将模型,:、i可平衡*。降的 实测植对于(丫倒、。/D,/,B6/?、丫/Q一勺进行点绘(图1),点据成一 海线,证明 上述推导是合理的。由此定 出K=。.5 :9。:降中国科 学院地理研 究 所流 水地 貌 实验室 洪笑天同志 所作的清水冲刷 实验的数 据)也 点进厂) 该数携系洪笑天 同志 向笔者提洪的末发夫过钩原奸资料。4期许炯心:边界条件对水库下游河床演变 的影响图 中,能 大致落在原 直线附近。于是得 到清水 冲刷 条件的平衡纵比降公式:J一0.。5。丫一丫、/Dg/,B6/7Q一/7、Y,(13)业已指出,汉江黄家港至光化段抗冲粗化层已基本形成。将 此河 段l为数据f七人式(1 3)中,计算出平衡纵比降J=0.000244,与实测值0.0叨2 4q十分接近,这就 进步使式(3)得到了验证。是, l 门擂 熨试册.公芜盛的目续.脚般。加,r令次:义家建萝先瞩么翻习, .幻们叭加石一的9一ml公月!1:竿尹。“”“,Q
