河流演变与转化：不同流量下的河型过程与结果

7.3　不同流量过程下的河型过程和结果

天然河流中，流量并不是恒定不变的。我们将河流变化的流量系列称为流量过程或径流过程。不同流量过程对河床的塑造作用不同，一次大洪水的造床效果往往大于长时期小流量的作用效果，并对河床形态长久产生影响；不同的流量变幅甚至导致不同的河型，如牙买加东部布卢山（Blue）南北坡上河流的例子，该山南北坡的地质条件、地形条件、年降雨量等均无不同，只是由于流量过程的不同，南北河流形成的河型不同^［9］。

大中型水利枢纽的兴建将显著地改变下游河道水沙特性，进而可能引发下游河道的较大范围的河床演变甚至河型转化，如丹江口水库兴建后汉江下游就发生了较典型的河型转化^{［10，11］}。水库下泄泥沙的减少是引发河型转化的重要原因已经取得了共识，而下泄流量过程的调平对河型转化的影响至今没有定论，第2章我们已经对流量调平引起的河流形态特征现象作了初步的分析，本节我们将通过水槽试验进一步研究流量过程对河型过程与结果的影响。

为排除干扰，我们将流量过程概化成“小大小”和“大小大”三级流量，水流连续施放、自由造床。根据试验沙的不同，大、小流量分别为1.5 m³／h、0.75 m³／h和0.75m³／h、0.5m³／h，具体试验数据见表7-1。

表7-1　试验第1阶段最终河道特征

7.3.1　试验现象概述

试验条件各不相同的8个组次（C9-1至C9-8，以下简称1至8）试验，最终导致的河床形态有较大的区别。各试验河道演变状况可概述如下：

（1）流量过程为“大小大”的3个组次（2、6、8），第1、3两阶段河槽的变化均较小，即流量过程变化引起的河型变化较小；

（2）流量过程为“小大小”的5个组次，第1、3两阶段河槽形态均有不同程度的变化，有的甚至产生河型转化，第1组试验结果尤为典型；

（3）流量过程为“小大小”的5个组次，第2、3两阶段河道形态均发生改变，变化的范围和程度有所不同。

7.3.2　第1、2组试验现象概况

以试验现象对比最突出的第1、2两组为例。第1组试验以小流量（0.75 m³／h）开始，河道基本稳定之后，河道无明显的主流，下游水流较散乱，滩槽岸线变化很小，整体为带有游荡特性的顺直河道。第2阶段流量加大后，河道进一步展宽，有微弯的深泓，但整体主流不甚分明；流量加大初期河床变化剧烈，几小时后河道趋于稳定，河型为顺直型。阶段3减小流量到0.75 m³／h，来流量减小之后，水流沿阶段2河道的深泓发展，归槽现象普遍，阶段2时不出露水面的边滩此时大部分高出水面。平面形态上河道弯曲率加大，且水流具有较典型的弯曲特性，出现了明显的横向环流。随着试验进行，河道“凹冲凸淤”现象明显，尤其下游河道弯曲率持续增加，在8＃断面附近河道冲刷到了水槽边界。

图7-10　各阶段最终河岸位置图（第1、2组）

第2组试验条件与第1组相似，仅流量过程变为“大小大”。第2组3个阶段均无明显的深泓和边滩。即使在小流量情况下，深泓线和主流仍不显著。第2、3阶段对比第1阶段大流量塑造的河槽，边界和形态变化较小。图7-10为各阶段最终的河岸位置图。

7.3.3　流量过程对河型的影响分析

7.3.3.1　不同流量的造床作用

水流是造床的主体，流量越大，水流的质量和能量就越大，造床能力越强。不同流量造床作用的不同，是流量过程影响河型的根本原因。

（1）原始河槽上的造床作用

试验表明，流量过程不同导致第1组和第2组试验河型不同的起点是在第1阶段：不同流量在同一原始河槽上塑造河道的特征形态不同。

1和2、5和6、7和8三对试验除流量过程外，其余试验条件均相同，分别对比两者的第1阶段最终河道形态，可以看出初始河槽下不同流量的造床区别（表7-1）。

外观形态上，大流量河道河宽大，过水断面增加，相应的宽深比值较小，河道整体趋于宽浅。从水流特性上，大流量河道河床内成型淤积体多而复杂，水流散乱不定；小流量河槽水流易发生归槽和出现深泓。总体而言，当流量过程为“大小大”时，大流量塑造的河槽，小流量较难显著改变，而且这种改变在随后大流量阶段中很难保持，因而经历一个不同流量过程后，河道形态变化较小。而小流量塑造的河槽很容易被大流量改造，这种改造往往能在此后小流量阶段得以保持，因而“小大小”流量过程时，河道形态变化显著。值得注意的是，尽管小流量河槽平面上的展宽往往为大流量河槽所覆盖；小流量的深切，包括其深泓特征，在接下来的大流量阶段中保持了自己的特性，并在第3阶段体现出来。

这种河道条件相同，因流量不同而形成河槽特征形态和水流结构不一致的情况，在试验中较为普遍。根据试验过程和结果，我们认为可能是由如下原因决定的：

1）河床可动性的差异。河床可动性与河床周界条件（试验中表现为河床组成）、河道比降以及来水来沙条件有关。尹学良^［6］提出河床可动性表达式：式中ρ、ρs分别为水及泥沙的比重，d为河床泥沙粒径，含有黏性土时应考虑黏性的影响，J为比降，Q、T分别为该流量级的大小及历时。在相同的河道条件下，河床可动性与Q直接相关。不同流量下河床可动性的差异，是产生不同的河槽特征形态和水流结构的主要原因。

2）大小流量应力分布的不均匀。由水力学知识，河道切应力τ与水力半径以及比降相关，表达式为：

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流量大小的差异，导致了水力半径和水面比降的变化，从而引起切应力的底部和边界的不均衡。设计的原始河槽断面增大了这种趋势，原始河槽中1.5 m³／h为满槽流量，0.75 m³／h为半槽流量，槽蓄量的不同，水流的应力分布也不同。大流量应力主要体现在边壁切力上，河道发育以侧蚀为主；小流量底部切力相对较强，河道以深蚀为主。

（2）大流量阶段在河型转化中的作用

在5个流量过程为“小大小”的试验中，第1阶段结束时河道的抗冲覆盖层已基本形成，河流已达到初步的动态平衡。大流量的出现改变了这种动态平衡。一次大流量阶段之后，各河道均发生了较显著的河床变化，第1组甚至出现河型转化。

大流量阶段的造床作用首先与流量变幅即大小流量的比例有关。流量变幅越大，造床能力差异增大，河道变化加剧；河道过水断面面积增加，不同阶段河道平面形态上变幅增加。天然沙试验中流量变幅（100%）较模型沙试验流量变幅（50%）大，河道变化速度与影响范围也显著增加。

大流量对河型的影响是通过河槽的束缚作用间接实现的。在“小大小”的流量过程中，经历一段时间的大流量阶段后，流量恢复为小流量，此时大流量阶段的影响主要通过其塑造的河槽实现。5个试验第1阶段完成时，水流条件与河道条件已达到了协调，即动态平衡。大流量的出现，或者直接改变河床，使河槽形态发生变化；或者通过搬运、侵蚀、浸润使得河槽的物理形态和应力结构发生改变，从而打破这种动态平衡。在第3阶段水流重新变为小流量，水流和新的河槽之间又重新开始适应和不适应的协调过程，在这个过程中河型转化就有可能发生。

试验中大流量对河床的改造首先体现在深泓的改变中。由于试验河道条件的限制，试验中大流量阶段并没有形成曲流，甚至有的河段水流游荡，没有完整的深泓线；但普遍存在主流和深泓区。图7-11是试验1、3、5三组次的河道最终横断面形态，由图可见深泓位置的变化。

图7-11　河道最终横断面形态

流量减小后，水流归槽，河道平面形态发生较大变化，有的甚至出现河型转化，具有较典型的曲流特征（第1组）。大流量阶段为河流的再造床提供了推动力，主流的出现、小流量的归槽使河道形态的变化成为可能。此后小流量阶段水流归槽之后河型的发展变化，还有赖于水流和河槽的关系。

7.3.3.2　水流和河槽的相互作用

水流和河槽的关系具有两面性：一方面，水流塑造河槽；另一方面，河槽的存在对水流有束缚作用。两者的主次关系不是确切不变的，当河槽的稳定性强、水流造床能力较小时，束缚作用也可能居于主导地位。

在本试验研究中，水流和河槽的关系主要表现在三个时期：（1）初始河槽上不同水流造床作用的差异；（2）大流量阶段水流对河槽的再塑造过程；（3）第3阶段水流与河槽束缚与塑造的过程。其中第3阶段现象最为典型，河道形态的变化也最剧烈。

（1）河床组成条件的影响

由于试验河槽在均匀试验沙体中发育，河床边界条件主要由试验沙本身的性质决定。5组“小大小”试验中，第3阶段，即大流量塑造后的小流量阶段，随着河床组成的不同，水流和河槽的关系表现为如下三种（如图7-12）：

图7-12　第3阶段河道变化

1）河槽对水流束缚作用为主，小流量下河槽变化不显著，如第5组；

2）河槽对水流有束缚，小流量下河槽在该阶段初始河道基础上发展，如第1组；

3）水流的造床作用为主，初始河槽几乎完全被小流量破坏，如第7组。

由图可知，随着泥沙中值粒径的增加，河槽稳定性增加，河槽对水流的束缚作用相应加强，小流量对河槽的再造床作用也相应减小。第5组河床组成最粗，第3阶段河道变化较小；第7组河床稳定性最差，大流量阶段塑造的河槽几乎被完全改造。

河槽对水流的约束直接决定流量过程对河道形态的影响程度：水流造床为主，不同流量过程下河道形态变化较小；河槽束缚为主，河道形态的变化主要发生在大流量阶段，而由于较强的河床稳定性，大流量阶段河床的变化也较小；仅河槽与水流束缚与塑造同时存在时，河道形态发生较大变化，此时河型转化才可能出现。

（2）河床比降的影响

河床比降的不同决定了水流能量条件的不同，从而必然引起河道演变的差异。试验1、3、5三组次河道边界组成、流量过程均相同，比降分别为1.0‰、0.6‰、1.5‰，比降不同，流量过程导致的河道变化也存在差异（图712）。

对比第1组，当河床比降较小时（0.6‰），流量过程对各阶段河道形态的改变较小。河床比降为1.5‰时，第1、3阶段相比较，主流位置发生了改变，部分河岸因迎流冲刷而后退，但整体河道变化不如第1组显著。

河床比降的影响较为复杂。一方面，河床比降增大，水流能量增加，造床能力加强，相应地，河槽稳定性变小、可动性增大，流量过程对河型变化的影响增加；另一方面，河流动力学原理和前人的研究^［2，3］均表明，随着河床比降的增加，水流的能量不断增大，河型有一个从顺直到弯曲再到游荡的趋势过程，在这个过程中，水流的应力分布和水流结构也发生改变，此时流量变化对河槽变化的影响程度也相应改变。如比降增加到1.5‰时，大流量阶段河槽游荡性增加，深泓显著性减弱，此后小流量阶段归槽不完全，整体河道变化减小。

综上所述，试验结果表明，流量过程是影响河道形态的一个重要因素。不同的流量过程塑造的河道形态不同。在相同的河床条件下，大、小流量的造床能力不同；流量不同，塑造的河槽特征形态和水流结构可能不同。大、小流量在原始河槽上造床作用的差异是流量过程对河型影响的起点。流量过程中大流量阶段的作用影响显著。大流量阶段破坏并改造河槽，决定下阶段的河道形态。条件适当时，大流量之后流量减小、水流归槽，可能发生河型转化，形成较典型的曲流。

流量过程对河型的影响取决于水流和河槽的相互关系。河床组成条件和河道比降改变时，不同的流量过程引发不同的河道形态变化。只改变流量过程较难出现河型转化，仅水流和河槽关系达到协调时出现；不同的河道条件下，流量过程对河型的影响程度不同。