李林林，夏軍強(qiáng) ，周美蓉，鄧珊珊

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

在天然河流中，床面泥沙一般由非均勻沙組成，進(jìn)而非均勻沙在水流沖刷的作用下發(fā)生分選輸移，使得床沙不斷調(diào)整(粗化或細(xì)化). 三峽工程蓄水運用以來，大量泥沙在庫前淤積，下泄水流含沙量處于嚴(yán)重不飽和狀態(tài)[1]，從而造成荊江段河床持續(xù)沖刷，床沙發(fā)生明顯的粗化現(xiàn)象，其中沙市河段粗化程度較監(jiān)利河段明顯. 2002-2017年期間，荊江河段平灘河槽累計沖刷泥沙10.51×108m3，年均沖刷量為0.701×108m3，從沖淤量沿程分布來看，沙市、監(jiān)利河段沖刷量分別占荊江沖刷量的24%、18%，進(jìn)一步印證了床沙粗化現(xiàn)象[2]. 在新水沙條件下，年內(nèi)床沙交換使得床沙組成不斷調(diào)整，進(jìn)而造成年際床沙粗化或細(xì)化，也對荊江段河床演變過程產(chǎn)生重要影響. 因此，深入研究三峽工程下游沙質(zhì)河段沙波運動規(guī)律與床沙交換、沖刷粗化之間的變化關(guān)系，可為進(jìn)一步開展三峽工程下游非均勻懸移質(zhì)泥沙沿程恢復(fù)機(jī)理與河床演變規(guī)律研究提供理論基礎(chǔ).

Chien和Wan認(rèn)為[3]，在沙波運動過程中，其床面形態(tài)隨著輸沙強(qiáng)度的不同而時刻變化，具有隨機(jī)性及周期性；因此沖積河流床面沙波運動對推移質(zhì)輸沙率變化及河床演變的研究產(chǎn)生重要影響，國內(nèi)外學(xué)者一直有著深入的探討[4-9]. 在國內(nèi)，尹學(xué)良[10]較早提出了清水沖刷條件下沙波運動與床沙交換、河床沖刷粗化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)沙質(zhì)河床受清水沖刷后, 將通過水流揚(yáng)沙的分選作用和泥沙的交換作用而發(fā)生粗化，并形成不穩(wěn)定的粗化層. 王士強(qiáng)[11-12]分析了多組水槽試驗和河流實測資料，得到了推移質(zhì)輸沙率與沙波波高、波速等沙波要素之間的函數(shù)關(guān)系，提出了沙波法計算推移質(zhì)輸沙率的適用范圍；在此基礎(chǔ)上，提出床沙交換速度的概念，并得到了床沙調(diào)整變化與沖淤變化及床沙交換的計算關(guān)系式；但是，該計算模型所述的床沙交換指的是床沙與懸移質(zhì)之間的相互交換，而忽略了推移質(zhì)對床沙交換過程的影響. 甘明輝等[13]建立了沙質(zhì)河床平面二維水沙模型，從定性角度模擬了清水沖刷條件下粗化層的形成過程及河床變形、沖刷深度、含沙量及床沙級配等的變化，但該模型無法反映交換過程對床沙調(diào)整過程的影響. 劉金梅等[14-15]通過水槽試驗觀察及分析長江、黃河等天然河流實測資料，提出床沙交換速率的概念，總結(jié)了非均勻沙河床沖刷過程中含沙量恢復(fù)飽和系數(shù)的簡化計算式，并分析了表層床沙粗化對不平衡輸沙的影響機(jī)理，但沒有從理論角度深入分析床沙交換及粗化過程的影響. 鐘德鈺等[16-18]基于沖積河流沙質(zhì)河床表層床沙與推移質(zhì)、懸移質(zhì)泥沙在床面附近的摻混交換，以及混合活動層泥沙在沙波運動作用下的摻混交換過程，建立了混合活動層內(nèi)床沙級配變化的動力學(xué)基本方程；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合懸移質(zhì)不平衡輸沙方程，計算了沙波運動影響下沖積河流懸移質(zhì)沖刷不平衡輸沙過程，模擬了沙質(zhì)河床沖刷粗化過程，從理論角度進(jìn)一步完善了計算模型，并用水槽試驗資料對模型進(jìn)行驗證. 另外，一些學(xué)者從不同角度出發(fā)，對沙波波高、沙波阻力、沙波形態(tài)等進(jìn)行深入的探討，使人們對沙波運動規(guī)律有了進(jìn)一步的認(rèn)識[19-23]. 綜合以上分析可知，結(jié)合概率統(tǒng)計理論與沙波運動方法計算沙質(zhì)河段床沙交換過程的研究還很少，也缺少從定量角度分析床沙交換方式的研究，如沖刷概率(床沙轉(zhuǎn)換為推移質(zhì)、懸移質(zhì)的概率)以及淤積概率(推移質(zhì)與懸移質(zhì)轉(zhuǎn)換為床沙的概率).

基于以上分析，本文采用力學(xué)分析、概率統(tǒng)計理論與沙波運動規(guī)律相結(jié)合的方法，引入Markov三態(tài)轉(zhuǎn)移概率及非均勻沙隱暴系數(shù)，得到沙質(zhì)河床上床沙級配的概率計算模式，能夠同時考慮前期水沙條件、床沙起懸及沖淤過程對床沙交換及粗化過程的影響，進(jìn)而可以將該模型應(yīng)用到Parker和Wilcock[24-25]提出的表層床沙輸移模型. 最后分別采用荊江河段沙市、監(jiān)利站實測流量過程、床沙級配、推移質(zhì)級配、懸移質(zhì)級配資料計算了沙質(zhì)河床年際床沙粗化及年內(nèi)床沙交換過程，并與2009-2014年實測資料進(jìn)行比較.

1 荊江河段概況

1.1 研究河段及數(shù)據(jù)來源

如圖1所示，荊江河段上起枝城，下迄城陵磯，全程長約347 km；以藕池口為界分為上、下荊江，河長分別約為172、175 km. 上荊江河段由枝城、江口、沙市等6個河灣及過渡段組成，屬于微彎分汊型河道. 其中，枝城-江口河段為卵石夾沙河床，河床上有卵礫石洲灘分布；江口-沙市河段為沙質(zhì)河床，河床組成為中細(xì)沙. 下荊江河段由石首、調(diào)關(guān)、監(jiān)利等10個彎曲河段組成，屬于典型的蜿蜒型河道；此河段為沙質(zhì)河床，河床組成多為中細(xì)沙，床沙中值粒徑約為0.18 mm，卵石層深埋在床面以下[1,26].

圖1 荊江河段示意圖Fig.1 Sketch of the Jingjiang Reach

本文收集整理的實測數(shù)據(jù)來源于長江中游荊江河段的沙市和監(jiān)利水文站，均為沙質(zhì)河床，主要包括2009-2014年實測流量、水深(最大水深、平均水深)、流速、床沙級配、推移質(zhì)級配、懸移質(zhì)級配等，共計763組實測數(shù)據(jù)；其中，床沙采用挖斗式(9線、10線)方法進(jìn)行取樣；沙質(zhì)推移質(zhì)采用測驗儀器為Y78-1型的推移質(zhì)采樣器進(jìn)行取樣；懸移質(zhì)采用橫式全斷面混合、分層混合及選點法進(jìn)行取樣. 沙市、監(jiān)利站實測資料中有關(guān)水沙要素的變化范圍見表1.

表1 沙市、監(jiān)利站實測資料統(tǒng)計

1.2 近期河床沖淤情況

荊江河段水沙主要來源于長江上游干流及各級入?yún)R支流，汛期集中在5-10月[27]. 圖2點繪了沙市、監(jiān)利河段1998-2017年水量、沙量逐年(水文年)變化過程曲線. 由圖2可見，三峽工程運用后(2003-2017年)，沙市河段年平均水量相比于2003年之前減少了10.2%，但沙量減少近85.9%；沙市河段年平均水量減少7.3%，但沙量減少近77.9%. 總之，三峽工程運用后，荊江河段水量變化較小，但沙量卻大幅度減少(沙市河段較監(jiān)利河段明顯)，這是造成壩下游河床持續(xù)沖刷的主要原因.

圖2 沙市(a)和監(jiān)利(b)河段1998-2017年水量、沙量變化過程Fig.2 Temporal variations in water volume and sediment load at Shashi and Jianli Reaches from 1998 to 2017

其次，三峽工程運用后，下泄沙量的大幅減少使荊江段河床處于沖刷狀態(tài)，且沖刷部位集中在枯水河槽[1, 28]. 根據(jù)夏軍強(qiáng)、周美蓉等[29-30]的研究，荊江河段蓄水前(1975-2002年)平灘河槽年均沖刷量為0.14 × 108m3/a，蓄水后增加為0.37 × 108m3/a，遠(yuǎn)大于蓄水前沖刷量；如圖3所示(沖刷為負(fù)，淤積為正)，三峽工程運用后，沙市、監(jiān)利河段累計沖淤量(平灘河槽)逐年增加，其中沙市河段年均沖刷量為0.167 × 108m3，監(jiān)利河段為0.131 × 108m3，河床處于持續(xù)沖刷狀態(tài)；尤其是2008年以來，沙市、監(jiān)利河段河床沖刷均有所加劇，其中沙市河段較監(jiān)利河段明顯，原因是三峽工程下泄水流含沙量處于嚴(yán)重不飽和狀態(tài)(圖2)，下泄清水持續(xù)沖刷河床，造成長江中游河段床沙逐年粗化.

2 沙質(zhì)河段床沙調(diào)整過程計算模型

2.1 沙波運動特性

如圖4所示，在沙波運動過程中，其床面形態(tài)隨著輸沙強(qiáng)度的不同而時時變化，具有隨機(jī)性及周期性[3]. 此外，在沙波運動的同時，床沙表面形成一個活動交換層，使得上下層床沙、沙質(zhì)推移質(zhì)、懸移質(zhì)相互交換，促使表層床沙級配不斷調(diào)整.

圖3 沙市及監(jiān)利河段累計沖淤量變化過程Fig.3 Accumulated volume of channel evolution in Shashi and Jianli Reaches process in sand bed

圖4 沙波運動及床沙交換過程示意圖Fig.4 Sand waves movement and sediment exchange

(1)

式中，K1為與相對水深h/d50有關(guān)的系數(shù)；Θ′*為沙粒阻力；h為水深；d50為中值粒徑；g為重力加速度.

(2)

(3)

綜上，當(dāng)Θ′*>2，且h/d50≥(7000～10000)時，聯(lián)立式(2)、(3)可得，Δ(n)為：

(4)

2.2 床沙調(diào)整計算模型

根據(jù)已有研究可知[32]，對于卵石夾沙河段來說，在床沙交換時活動層內(nèi)每步被沖刷下移的沙量不能由等量的下層原始床沙來補(bǔ)充；這是因為在表層床沙分選輸移的過程中，表層床沙逐步粗化，與底層床沙的組成差異較大，沖刷過程變得越來越慢(床沙變粗). 此時，若考慮了下層原始床沙的補(bǔ)給，則相當(dāng)于增大了活動層厚度，使粗化過程變得相對容易.

但是，沙質(zhì)河床與卵石夾沙河床在床沙組成上差異較大，其上下層床沙相對來說較為均勻，粒徑范圍較小，床沙交換過程主要靠沙波運動來維持(河床下切)；在沙波運動的同時，床沙表面形成一個活動交換層，促使表層床沙級配不斷調(diào)整. 因此，對于三峽工程下游沙質(zhì)河段(荊江河段)來說，活動層內(nèi)每步被沖刷下移的沙量應(yīng)由等量的下層原始床沙來補(bǔ)充[33]，其沙量平衡方程為：

(5)

(6)

(7)

式中，dt為相對于一個交換過程的計算步長，且dt=ΔT/Δt；ΔT為實際計算步長(等于相鄰兩組實測數(shù)據(jù)的時間間隔)，Δt為完成一次床沙交換所需要的時間[30].

(8)

(9)

在沖淤過程中，假設(shè)沖刷為負(fù)、淤積為正，從而得到計算時段dt內(nèi)總沖淤厚度H(n)為：

(10)

2.2.2 三態(tài)轉(zhuǎn)移概率 所謂三態(tài)轉(zhuǎn)移概率，即在床沙調(diào)整過程中，床沙(狀態(tài)1)、推移質(zhì)(狀態(tài)2)、懸移質(zhì)(狀態(tài)3)泥沙的運動狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換，如圖5所示. 在此基礎(chǔ)上，Li等[32]對Kuai和Tsai[34]提出的Markov非齊次離散模型進(jìn)行修正，得到基于隱暴效應(yīng)的非均勻沙三態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣：

(11)

圖5 三態(tài)轉(zhuǎn)移概率Fig.5 Transition probabilities for three-states

綜上所述，將式(8～10)代入式(6)得到長江中游沙質(zhì)河段基于隱暴效應(yīng)的床沙調(diào)整計算模型：

(12)

2.2.3 計算流程 1) 根據(jù)實測流量過程及初始水沙條件(床沙、推移質(zhì)、懸移質(zhì))，利用插值法計算任一時刻的相對水深h/d50；若h/d50≥7000，則進(jìn)行后續(xù)計算過程，否則停止計算；

2)判斷無量綱Θ′*大小，進(jìn)而計算Δ(n)：若Θ′*≤2，Δ(n)按照王士強(qiáng)[12]的方法計算；若Θ′*>2，Δ(n)由式(4)計算；

4)判斷ΔT與T的大小，運用式(7)計算Ζ(n)；

3 荊江河段床沙調(diào)整及粗化計算

3.1 年內(nèi)床沙級配調(diào)整

本文分別采用沙市、監(jiān)利站2009-2014年實測流量過程、床沙級配、推移質(zhì)級配及懸移質(zhì)級配資料計算分析了荊江河段年內(nèi)床沙級配調(diào)整規(guī)律.

首先，沙市站選擇具有代表性的2009年(平衡-粗化-細(xì)化)床沙級配計算結(jié)果來說明本文多步概率模型的計算精度. 由圖6a可知，2009年床沙級配計算結(jié)果與實測資料符合較好，年內(nèi)床沙級配調(diào)整過程為：平衡-粗化-細(xì)化；其中，3月27日床沙級配與1月15日初始級配相近(近似平衡態(tài))，直至汛期結(jié)束前(9月25日)完成粗化，之后床沙逐漸細(xì)化. 監(jiān)利站選取2011年(細(xì)化-粗化)部分計算節(jié)點，說明本文年內(nèi)床沙調(diào)整過程驗證結(jié)果. 由圖6b可知，2011年床沙級配調(diào)整過程體現(xiàn)為：細(xì)化-粗化；其中，1月18日為初始床沙，至5月6日細(xì)化完成，之后床沙逐漸粗化.

圖6 沙市(2009年)、監(jiān)利(2011年)站年內(nèi)床沙變化計算結(jié)果：(a) 沙市站；(b) 監(jiān)利站Fig.6 Temporal variations of grain size distribution at Shashi Station (a) and Jianli Station (b)

其次，為了說明本文概率模型年內(nèi)床沙調(diào)整過程，將沙市、監(jiān)利站年內(nèi)床沙d50計算結(jié)果與實測資料進(jìn)行對比. 由圖7、8可見，沙市站年內(nèi)床沙d50總體呈先增大后減小(先沖后淤)的變化趨勢，而監(jiān)利站呈先減小后增大(先淤后沖)的變化趨勢，但兩斷面床沙d50都逐漸恢復(fù)到汛前大小. 可以看出，本文模型計算結(jié)果與沙市、監(jiān)利站實測資料變化趨勢基本一致，能夠應(yīng)用于荊江河段沙質(zhì)河床年內(nèi)床沙調(diào)整過程的預(yù)報；但是，圖中有些數(shù)據(jù)點依然存在較大誤差，可能是因為床沙取樣時存在隨機(jī)性，模型計算時存在累計誤差，亦或者水沙變化復(fù)雜，存在其他不可控因素.

圖7 沙市站年內(nèi)床沙中值粒徑計算與實測結(jié)果Fig.7 Comparisons between the measured and calculated median particle sizes of bed material at Shashi Station

圖8 監(jiān)利站年內(nèi)床沙中值粒徑計算與實測結(jié)果Fig.8 Comparisons between the measured and calculated median particle sizes of bed material at Jianli Station

3.2 年際床沙粗化

由實測資料分析可知，沙市、監(jiān)利河段床沙分別屬于中沙(0.25 mm≤d50<0.5 mm)和細(xì)沙(0.125 mm≤d50<0.25 mm)的粒徑范圍. 為說明三峽工程下游沙質(zhì)河段的床沙粗化規(guī)律及粗化程度，將沙市、監(jiān)利站床沙組成按粒徑范圍進(jìn)一步分為d<0.062 mm、0.062 mm≤d<0.25 mm以及d≥0.25 mm 3種，并用沙市、監(jiān)利站2009-2014年實測流量過程、床沙級配、推移質(zhì)級配、懸移質(zhì)級配資料分別計算了歷年荊江河段床沙組成中粒經(jīng)在d<0.062 mm、0.062 mm≤d<0.25 mm、d≥0.25 mm范圍內(nèi)的泥沙所占百分比變化情況及年際床沙調(diào)整、粗化過程，并將計算結(jié)果與實測資料進(jìn)行對比.

由表2可見，2009-2014年，沙市站床沙組成中d<0.062 mm的泥沙所占比重始終為0；0.062 mm≤d<0.25 mm 的泥沙所占比重呈逐年減少的趨勢，由2009年的59.5%(64.2%)變?yōu)?014年的48.1%(49.4%)，變化幅度為-11.4%，其中在2012年變化幅度最大(-21.3%)；d≥0.25 mm的泥沙所占比重呈逐年增加的趨勢，由2009年的40.5%(35.8%)變?yōu)?014年的51.9%(50.6%)，變化幅度為11.4%，同樣在2012年變化幅度最大(21.3%)，床沙組成表現(xiàn)出明顯的粗化趨勢. 而監(jiān)利站床沙組成中粒經(jīng)在d<0.062 mm、0.062 mm≤d<0.25 mm、d≥0.25 mm范圍內(nèi)的泥沙所占比重在2009-2014年間均存在波動性變化，床沙調(diào)整過程基本處于粗化與細(xì)化交替進(jìn)行的狀態(tài)，但總體上有粗化的趨勢. 此外，2009-2014年，沙市、監(jiān)利站床沙發(fā)生不同程度的粗化，其中沙市站粗化程度較監(jiān)利河段明顯，監(jiān)利站雖然粗化速率比較緩慢(床沙粗化與細(xì)化交替進(jìn)行)，但在后續(xù)時段(2014-2017年)亦有粗化趨勢.

表2 沙市及監(jiān)利站2009-2014年床沙組成變化情況(%)

最后，將沙市、監(jiān)利站年際床沙d50計算結(jié)果與2009-2014年實測資料進(jìn)行比較，驗證結(jié)果見圖9. 結(jié)合圖7、8的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)沙市、監(jiān)利站年內(nèi)床沙d50分別呈先增大后減小(先沖后淤)、先減小后增大(先淤后沖)的變化趨勢，這也是造成沙市站床沙逐年粗化，監(jiān)利站床沙粗化與細(xì)化交替進(jìn)行的主要原因. 同時，沙市站2003年床沙d50為0.236 mm(0.225 mm)，2014年床沙d50為0.258 mm(0.259 mm)，粗化程度為9.3%，其中2012年粗化程度最高(16.8%)；監(jiān)利河段2003年床沙d50為0.186 mm(0.190 mm)，2014年床沙d50為0.199 mm(0.193 mm)，粗化程度為6.9%，其中2011年粗化程度最高(12.4%). 此外，沙市站床沙d50在2013-2014年間持續(xù)下降(圖9a)，是因為該圖表示汛期某時刻的床沙組成，不能完整地反映2013-2014年的床沙變化過程.

圖9 2009-2014年沙市站(a)和監(jiān)利站(b)床沙中值粒徑d50計算值與實測資料對比結(jié)果Fig.9 Comparison of median particle sizes of bed material at Shashi Station (a) and Jianli Station (b) from 2009 to 2014

由以上分析可知，沙市、監(jiān)利站床沙交換造成的結(jié)果分為兩種：(1)年內(nèi)床沙粗化與細(xì)化并存，這可能與床沙組成沿垂向變化、來水來沙過程變化及江湖水沙交換等因素有關(guān)；(2)年際床沙總體呈粗化趨勢，但粗化程度不高，這也是沙質(zhì)河段床沙交換的必然結(jié)果；沙質(zhì)河床上、下層床沙相對來說較為均勻，粒徑范圍較小，而且床沙、推移質(zhì)、懸移質(zhì)泥沙粒徑范圍相當(dāng). 由沙市、監(jiān)利站實測資料來看，床沙的粒徑在0.062～2 mm之間，沙質(zhì)推移質(zhì)粒徑在0.002～2 mm之間(實測資料顯示兩水文站均無卵石推移質(zhì))，懸移質(zhì)泥沙粒徑在0.002～1 mm之間. 由于床沙粒徑相對于推移質(zhì)及懸移質(zhì)來說較粗，所以在三者相互交換的過程中(沙波運動為床沙交換的動力)：(a)如果沙波不斷下切，且推移質(zhì)及懸移質(zhì)不斷向床沙補(bǔ)給(淤積)，就有可能會使床沙發(fā)生細(xì)化；(b)若床沙不斷被水流沖刷，同時向推移質(zhì)及懸移質(zhì)補(bǔ)給，則床沙有可能發(fā)生粗化. 但由于荊江河段水沙條件變化復(fù)雜，所以(a)、(b)兩種情況對應(yīng)的床沙調(diào)整過程也有可能產(chǎn)生相反的結(jié)果. 這也說明在沙波運動影響下，沙質(zhì)河床與卵石夾沙河床床沙交換過程的主要區(qū)別為動力驅(qū)制不同.

3.3 床沙交換方式

由2.2.2節(jié)可知，在一定水流條件下，床沙可由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥埔瀑|(zhì)或懸移質(zhì)運動狀態(tài)，在水流沖刷的作用下發(fā)生分選輸移，使得床沙不斷調(diào)整(粗化或細(xì)化). 但是，當(dāng)水流條件達(dá)到一定強(qiáng)度時，床沙交換的主要方式將是懸移或躍移[35]，推移質(zhì)運動狀態(tài)所占比例變得越來越少. 因此，為了分析長江中游沙質(zhì)河段(沙市、監(jiān)利)床沙調(diào)整過程中的主要交換方式，圖10給出了2009-2014年沙市及監(jiān)利站汛期某時刻沖刷時狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率(床沙轉(zhuǎn)換為推移質(zhì)的概率：ε12；床沙轉(zhuǎn)換為懸移質(zhì)概率：ε13)的變化規(guī)律，圖11給出了汛期某時刻淤積時狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率(推移質(zhì)轉(zhuǎn)換為床沙的概率：ε21；懸移質(zhì)轉(zhuǎn)換為床沙概率：ε31)的變化規(guī)律.

由圖10a可以看出，在一定水流條件下，沙市站ε12隨著泥沙粒徑的增大而增大. 由上述床沙調(diào)整計算過程及實測床沙級配資料可知，沙市站2009-2014年床沙粒徑集中在0.125～0.5 mm范圍內(nèi)，所占沙重百分比約為95%，ε12在區(qū)間[0.07，0.19]內(nèi)變化，即床沙轉(zhuǎn)換為推移質(zhì)的概率恒小于0.2；ε13隨著泥沙粒徑的增大而減小，并且在區(qū)間[0.73，0.89]內(nèi)變化，即床沙轉(zhuǎn)換為懸移質(zhì)的概率恒大于0.7. 監(jiān)利站ε12及ε13的概率與泥沙粒徑之間的變化關(guān)系與沙市站類似，ε12在區(qū)間[0.05，0.13]內(nèi)變化，ε13在區(qū)間[0.81，0.93]內(nèi)變化(圖10b).

圖10 2009-2014年沙市站(a)和監(jiān)利站(b)床沙轉(zhuǎn)換為推移質(zhì)(B)或懸移質(zhì)(S)的概率 Fig.10 Transition probability from bed material to bed load (B) or suspended load (S) at Shashi Station (a) and Jianli Station (b) from 2009 to 2014

圖11 2009-2014年沙市站(a)和監(jiān)利站(b)推移質(zhì)(B)或懸移質(zhì)(S)轉(zhuǎn)換為床沙的概率Fig.11 Transition probability from bed load (B) or suspended load (S) to bed material at Shashi Station (a) and Jianli Station (b) from 2009 to 2014

在一定水流條件下，沙市、監(jiān)利站推移質(zhì)和懸移質(zhì)轉(zhuǎn)換為床沙的概率(ε21、ε31)均隨著泥沙粒徑的增大而增大(圖11). 由前文分析可知，沙市站2009-2014年推移質(zhì)泥沙粒徑主要集中在0.125～1 mm范圍內(nèi)，懸移質(zhì)泥沙粒徑主要集中在0.002～0.5 mm范圍內(nèi)，所以沙市站ε21在區(qū)間[0.02，0.21]內(nèi)變化，ε31在區(qū)間[0，0.026]內(nèi)變化，即懸移質(zhì)轉(zhuǎn)換為床沙的概率很小. 同理，監(jiān)利站ε21在區(qū)間[0.016，0.14]內(nèi)變化，ε31在區(qū)間[0，0.012]內(nèi)變化.

4 結(jié)論

三峽工程蓄水運用后，長江中游荊江河段持續(xù)沖刷，沙波運動使得床沙與推移質(zhì)、懸移質(zhì)泥沙不斷交換(床沙調(diào)整)，從而造成該河段床沙發(fā)生不同程度的粗化現(xiàn)象，對長江中下游河段水沙輸移及河床演變規(guī)律的研究產(chǎn)生重要影響. 為研究新水沙條件下荊江河段沙質(zhì)河床年際床沙粗化及年內(nèi)床沙交換過程，在總結(jié)沙波運動規(guī)律及床沙交換方式的基礎(chǔ)上，引入三態(tài)轉(zhuǎn)移概率及非均勻沙隱暴系數(shù)，進(jìn)而得到基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的沙質(zhì)河段床沙級配調(diào)整的計算模式，能夠同時考慮前期水沙條件、床沙起懸及沖淤過程對床沙調(diào)整過程的影響. 基于以上分析，主要結(jié)論如下：

1)分析表明，2003-2017年，沙市、監(jiān)利站床沙發(fā)生不同程度的粗化，其中沙市站粗化程度較監(jiān)利河段明顯；但沙市站在2010年以后有一定波動(波動幅度較小)，監(jiān)利站在2007年以后波動幅度較大. 計算結(jié)果表明：沙市站年內(nèi)床沙d50先增大后減小(先沖后淤)，但年際床沙d50逐年增大；而監(jiān)利站年內(nèi)床沙d50則表現(xiàn)出先減小后增大(先淤后沖)的變化趨勢；這也是造成沙市站床沙逐年粗化，監(jiān)利站床沙粗化與細(xì)化交替進(jìn)行的主要原因.

2)2009-2014年，沙市站床沙組成中d<0.062 mm的泥沙所占比重始終不變；0.062 mm 0.25 mm的泥沙所占比重呈逐年增加的趨勢，變化幅度為11.4%，同樣在2012年變化幅度最大(21.3%)，床沙組成表現(xiàn)出明顯的粗化趨勢. 而監(jiān)利站床沙組成中3種粒徑范圍內(nèi)的泥沙所占比重均存在波動性變化，處于粗化與細(xì)化交替進(jìn)行的狀態(tài)，但有粗化趨勢.

3)計算結(jié)果表明，在床沙普遍可動的情況下，床沙轉(zhuǎn)換為推移質(zhì)的概率隨著泥沙粒徑的增大而增大，床沙轉(zhuǎn)換為懸移質(zhì)的概率隨著泥沙粒徑的增大而減小，推移質(zhì)和懸移質(zhì)轉(zhuǎn)換為床沙的概率均隨著泥沙粒徑的增大而增大，并呈現(xiàn)出一定的變化趨勢；此外，在床沙交換過程中，河床發(fā)生沖刷粗化時床沙以懸移質(zhì)形式發(fā)生輸移的概率約為81%～87%，少部分以推移質(zhì)形式?jīng)_刷下移，概率約為9%～13%；但是，當(dāng)河床發(fā)生淤積細(xì)化時，落淤泥沙主要來源于推移質(zhì)，概率約為8%～12%.