張原鋒 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、過渡及動平整。當流量逐漸增大時，床面形態(tài)逐漸由沙壟向過渡、動平整方向發(fā)展。天然條件下，當流量小于1500m3/s時，床面主要表現(xiàn)為沙壟，床面形態(tài)的波長與波高之比平均為550；當流量大于2000m3/s時，床面形態(tài)主要為動平整。在持續(xù)沖刷條件下，當流量小于1500m3/s時，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

中圖分類號：TV147；TV882.1

文獻標志碼：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，擺動頻繁，河槽易淤善沖，沙洲發(fā)育。小浪底水庫修建前，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。小浪底水庫攔沙運用后，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，不同學者對其床面形態(tài)特征有很多爭議。VanrijnL-C.認為對于床沙粒徑小于0.1mm的沖積性河流，一般不會出現(xiàn)沙壟，床面表現(xiàn)為動平整，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，床面不存在沙壟：BassJ.H.等利用床沙粒徑分別為0.095、0.076mm的泥沙進行了系列水槽試驗，在床面演變過程中沒有發(fā)現(xiàn)沙壟：王士強認為在同樣的床沙條件下，水深幾十厘米（水槽試驗水深）的水中不會產(chǎn)生沙壟，但是在水深較大條件下會出現(xiàn)沙壟。黃河下游花園口河段曾觀測到沙壟的存在，沙壟波高一般不超過2m，波長一般為數(shù)百米，有時也超過1km。由于當時的觀測條件及觀測精度較差，對黃河下游床面形態(tài)基本特征仍未有清晰且統(tǒng)一的認識，因此筆者所在團隊于2016年利用多波束超聲測深系統(tǒng)（MBES）在黃河下游花園口水文站附近進行了床面形態(tài)的系統(tǒng)觀測，并對其床面形態(tài)特征及變化過程進行了深人研究。

1 花園口河段床面形態(tài)觀測

黃河下游含沙量大、河道地形復雜，床面形態(tài)觀測十分困難?；▓@口河床演變測驗隊于1959年在花園口水文站（基）附近約6km的相對順直河段內(nèi)，利用劃子（小船）、測深桿等自上而下進行了主槽縱剖面觀測，水流方向相鄰兩測點距離約為20m。觀測期間，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，在花園口水文站測流斷面以上河段，利用R2Sonic2024寬帶多波束超聲測深系統(tǒng)，在主槽中觀測了寬60～80m、長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°，最大測深為500m，精度為6mm。觀測期間，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）、過渡及高能態(tài)（動平整、逆行沙波、急灘與深潭）。低能態(tài)床面形態(tài)水流強度小、輸沙能力弱，高能態(tài)床面形態(tài)水流強度大、輸沙能力強。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表明，其床面形態(tài)主要表現(xiàn)為沙壟.過渡及動平整等。

2.1 天然條件下床面形態(tài)幾何特征

1959年觀測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)試驗的數(shù)值（10～100）。

當花園口站流量大于1500m3/s并逐漸增大時，沙壟尺度開始減小并逐步向動平整床面形態(tài)發(fā)展。圖l（b）為花園口河段1959年9月流量2160～2520m3/s時的河床縱剖面，可以看出小流量時的沙壟基本消失，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

小浪底水庫蓄水運用后，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，利用多波速超聲測深系統(tǒng)在花園口河段進行了三維水下地形觀測，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，相應的花園口站流量約為1200m3/S，含沙量為0.5kg/m3。從整個觀測河段來看，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800～1300m，平均為1035m，波長與波高比平均為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，波長為10～30m，小尺度沙壟與其他河流的沙壟較為相似。可見，黃河下游花園口河段小流量時的床面形態(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.認為主要有水深、泥沙粒徑及摩阻流速。黃河下游為典型的強沖積性河流，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)展過程。黃河下游床面形態(tài)實測資料表明，當床面為沙壟時，波高隨波長的增大而增大。隨著波長的繼續(xù)增大，沙壟消失，波高開始減小，直至床面達到動平整狀態(tài)時波高趨于零，見圖3。室內(nèi)試驗的床面形態(tài)規(guī)模盡管遠小于黃河下游的，但是波高隨波長變化的趨勢基本一致。

由圖4、圖5可以看出，在流量大于1000m3/s時，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。而當流量在400～1500m3/S之間時，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：當流量大于2000m3/S時，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；波長與波高比大幅度增大，沙壟趨于消失，床面處于過渡或動平整狀態(tài)。GuyH-P.等在實驗室條件下的試驗資料表明，當床面進人過渡區(qū)或動平整時，弗勞德數(shù)（Fr）在0.6以上，而黃河下游流量在2000m3/S左有時的Fr為0.4～0.6，黃河下游床面進入過渡區(qū)或動平整狀態(tài)的Fr明顯比相應試驗條件下的小。

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，過流斷面突然擴大，并在波谷區(qū)產(chǎn)生紊動渦旋，然后在沙壟迎水面上重匯?；谶@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時水流阻力最小，相應的床面形態(tài)為逆行沙波或沙紋，m=2時對應的床面形態(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)，對于野外河流，F(xiàn)rg可簡化為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，曼寧糙率往往較大，甚至大于沙壟床面的，與實際不符。因此，采用m反映水流阻力較為合理，且m為無量綱參數(shù)，物理概念明確。張原鋒等基于王士強和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床面形態(tài)變化的響應過程。圖6為利用GuyH-P.等粒徑為0.2～0.3mm的室內(nèi)試驗資料點繪的m-mb關(guān)系（數(shù)字為SimonsD.B.等提出的床面形態(tài)編號：2為沙紋，3為沙壟，4為過渡，5為動平整，6為逆行沙波，7為碎波，8為急灘與深潭）。為了減少試驗水槽壁面對床面形態(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，m逐漸增大并達到最大值，床面形態(tài)由沙紋逐漸發(fā)展為沙壟并完全發(fā)育，水流阻力達到最大；隨著mb進一步增大至4左右，沙壟逐漸變?nèi)酢⑾?，床面進入過渡區(qū)，m則逐漸減小，水流阻力減??；當mb達到5左有時，m接近1，床面基本為動平整或逆行沙波；mb繼續(xù)增大，床面形態(tài)進一步發(fā)展為碎波、急灘與深潭。圖6基本揭示了沙紋一沙壟一過渡一動平整一逆行沙波一碎波一急灘與深潭的床面發(fā)展過程，并反映了阻力先增大后減小的變化過程。因此，mb能夠表征床面形態(tài)的基本特征。

圖7為由1959年黃河下游實測資料點繪的m-mb關(guān)系（圖中數(shù)字為實測床面形態(tài)的波高）。與圖6相比，圖7中沒有隨著mb的增大m逐漸增大的階段，也就是說黃河下游幾乎沒有沙紋的存在，在流量較小時床面形態(tài)以沙壟為主。當床面由沙壟向高能態(tài)區(qū)發(fā)展時，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)對應的mb值與室內(nèi)試驗相比偏大。當mb小于4時，床面形態(tài)波高一般在2m及以上，主要為沙壟：當mb為2左有時，沙壟最為發(fā)育，相應流量為1000m3/S左右；當mb大于6時，床面形態(tài)波高一般為0.5m左右，波長超過2000m。盡管按照幾何尺寸定義，這時的床面形態(tài)應為沙壟，但是從水流阻力變化特征來看，此時的動床阻力最小，明顯不同于實驗室沙壟的阻力特征。因此，從動床阻力特征角度來講，黃河下游這一階段的床面形態(tài)應為動平整，相應的流量為2000m3/S左右。當流量繼續(xù)增大時，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，整個床面仍以動平整為主。

5 結(jié)語

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

（2）持續(xù)沖刷條件下，流量小于1500m3/S時床面形態(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1035m，平均波長與波高之比為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10～30m。

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