輸沙量法與地形法估算河道沖淤量的對比研究

董耀華

（長江科學(xué)院，武漢 430010）

輸沙量法與地形法估算河道沖淤量的對比研究

董耀華

（長江科學(xué)院，武漢 430010）

以長江中游荊江新廠至監(jiān)利河段實測水沙與河道地形資料為基礎(chǔ)，采用輸沙量法與地形法，分別估算了1987年6月至1991年5月該河段的河道沖淤量，并初步對比分析了2種方法的差異、適用性與關(guān)鍵影響參系數(shù)。計算分析表明：①采用輸沙量法，假設(shè)床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑為0.062 5 mm，1987年6月1日至1991年5月31日新廠至監(jiān)利河段河道淤積量為0.431 4億t；采用地形法，假設(shè)平灘水位為34.0 m，1987年5-6月至1991年5月該河段的河道淤積量為0.438 3億t。2個估算結(jié)果非常接近。②影響輸沙量法的關(guān)鍵參系數(shù)為床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑與懸沙級配；影響地形法的關(guān)鍵參系數(shù)為平灘水位與泥沙干密度。③在河道沖淤基本平衡和造床條件下，合理確定床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑（輸沙量法）和平灘水位（地形法），輸沙量法與地形法估算的河道沖淤量可以一致或接近；偏離沖淤平衡與造床條件越遠，2種方法的估算結(jié)果差異越大。

河道沖淤；輸沙量法；地形法；沖淤平衡；造床條件；床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑；平灘水位

1 概 述

輸沙量法（或輸沙率法）與地形法（或斷面法）是2種估算河道沖淤量的常用方法。如果估算結(jié)果一致或接近，2種方法可以相互佐證、互補信息（例如：輸沙量法可提供沖淤隨時過程，地形法可提供沖淤沿程過程），方便河道的科研、規(guī)劃與設(shè)計工作。但如果估算結(jié)果差異較大甚至沖淤定性相反，反而使得科研或工程人員難以取舍。作者認為影響輸沙量法與地形法適用性與精度的3個方面原因是：①方法的適用條件；②所需水沙與河道地形資料的限制與精度；③關(guān)鍵影響參系數(shù)的確定或選取。

本文以長江中游荊江新廠至監(jiān)利河段實測水沙與河道地形資料為基礎(chǔ)，采用輸沙量法與地形法分別估算了1987年6月至1991年5月不同高程（水位）、不同床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑下，該河段的河道沖淤量、沖淤隨時或沿程過程，對比了估算結(jié)果的差異，初步分析了2種方法的適用性與關(guān)鍵影響參系數(shù)。

選取新廠至監(jiān)利河段的2個主要原因是：①該河段在研究時段內(nèi)實測水沙與河道地形資料比較完備；②研究時段內(nèi)該河段河道以自然演變?yōu)橹鳎姨幱跊_淤基本平衡狀態(tài)［1，2］。新廠至監(jiān)利河段（長86.8 km）為蜿蜒型河道，由石首、調(diào)關(guān)和中洲子3個彎道及其過渡段組成（圖1）；河段進口水沙由新廠水文站控制，出口水沙由監(jiān)利水文站控制，沿程設(shè)有石首和調(diào)關(guān)2個水位站；河段右岸約10 km處藕池口是長江入洞庭湖的最后一個分流口，分流、分沙量由藕池河的管家鋪和康家崗2個水文站控制。

圖1 長江中游荊江新廠至監(jiān)利河段河勢圖Fig.1 River regime of Xinchang-Jianli reach of the Middle Changjiang Jingjiang River

2 輸沙量法估算河道沖淤量

2.1 輸沙量法概述

輸沙量法估算河道沖淤量基于河流動力學(xué)的河道沖淤平衡原理。對于沖淤平衡河道，造床泥沙（包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)中床沙質(zhì)部分）的輸移總量應(yīng)該守衡，即河段進出口輸沙量差值與河段內(nèi)河道沖淤量相等［3、4］

式中：GS為輸沙量（kg或t）；Q為流量（m3／s）；S為斷面平均含沙量（kg／m3）；T為時間（s）；AS為河道沖淤量（kg或t，“+”為淤積“-”為沖刷）；為河段進、出口輸沙量。

輸沙量法的適用性與精度主要取決以下4個方面的條件或因素：

（1）應(yīng)滿足“沖淤平衡”和“造床泥沙”條件。采用輸沙量法，河道應(yīng)滿足“沖淤平衡”，估算只針對“造床泥沙”。但實際應(yīng)用時，“沖淤平衡”條件可能會放寬到?jīng)_淤基本平衡（微沖微淤）、淤積為主（例如：水庫淤積）、沖刷為主（例如：壩下游沖刷）等河段；而“造床泥沙”條件可能放寬到不考慮推移質(zhì)、不區(qū)分床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界等水沙情況。

（2）水沙資料應(yīng)完整。輸沙量法主要依賴于河道水沙資料，其完整是保證輸沙量法精度的前提；水沙資料的完整性主要體現(xiàn)在實測水沙資料的齊全、精準(zhǔn)與匹配。

（3）合理確定床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑。輸沙量法第一個關(guān)鍵參系數(shù)是床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑，它是確定造床與非造床泥沙的分界指標(biāo)。

（4）合理選取懸沙級配。一方面，合理選取懸沙級配直接影響床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑；另一方面，綜合考慮測量頻率精度以及估算工作量，通常以典型或代表懸沙級配（例如多年平均級配）代替逐日懸沙級配，可能會對估算精度有一定影響。

2.2 輸沙量法估算新廠至監(jiān)利河段河道沖淤量

根據(jù)輸沙量法估算河道沖淤量公式（1），新廠至監(jiān)利河段河道沖淤量的計算公式為

估算條件如下：

（1）時段為1987年6月1日至1991年5月31日；

（2）流量、含沙量過程采用新廠、監(jiān)利、管家鋪和康家港4個水文站逐日實測值；

（3）懸沙級配采用1960-1985年實測平均級配（依據(jù)長江科學(xué)院匯編《長江河道觀測資料（第一集）》，圖2）；

圖2 新廠至監(jiān)利河段懸沙級配（1960-1985年平均）Fig.2 Suspended sediment grading curves of Xinchang-Jianli reach（1960-1985 average）

（4）床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑ds假設(shè)為0.062 5，0.05，0.075，0.1 mm以及全沙等5種情況。

主要估算成果見表1、表2、圖3和圖4，其中圖3和圖4輸沙量／河道沖淤量-時間（年月日）過程圖基于作者自行開發(fā)的Fortran語言與Autocad批處理（*.scr）混合編程軟件程序，繪制出的時間過程線圖突破了Excel繪圖最大256組數(shù)據(jù)的限制。

表1 新廠至監(jiān)利河段實測輸沙量（1987年6月1日至1991年5月31日，分界粒徑0.062 5 mm）Table 1 Observed sediment loads of Xinchang-Jianli reach（from 1st Jun.1987 to 31st May 1991，ds＝0.062 5 mm）

表2 輸沙量法估算的新廠至監(jiān)利河段河道沖淤量（1987年6月1日至1991年5月31日）Table 2 Deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach estimated by the sediment load method（from 1st Jun.1987 to 31stMay 1991）

估算成果初步分析如下：

（1）綜合作者［1］和其他人研究（如：張海燕［5］），考慮沙與細沙分界，作者推薦新廠至監(jiān)利河段床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑取為0.062 5 mm，相應(yīng)的1987年6月1日至1991年5月31日新廠至監(jiān)利河段河道淤積量為0.431 4億t；

圖3 新廠至監(jiān)利河段累積輸沙量（1987年6月1日至1991年5月31日，分界粒徑0.062 5 mm）Fig.3 Accumulated sediment loads of Xinchang-Jianli reach（from 1st Jun.1987 to 31th May 1991，ds＝0.062 5 mm）

圖4 輸沙量法估算的新廠至監(jiān)利河段河道累積沖淤量（1987年6月1日至1991年5月31日）Fig.4 Accumulated deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach estimated by the sediment load method（from 1st Jun.1987 to 31th May 1991）

（2）采用不同的床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑，輸沙量法估算的河道沖淤量定性一致、定量差別不大；

（3）若選取全沙，估算的沖淤量會出現(xiàn)定性相反沖淤結(jié)果。由此推論：對于沖淤基本平衡河道，采用全沙估算河道沖淤，偏離造床泥沙條件最遠，估算結(jié)果偏離最大。

3 地形法估算河道沖淤量

3.1 地形法概述

地形法估算河道沖淤量的基本原理是：根據(jù)新、舊兩次河道實測地形，比較河道槽蓄量變化，估算河道沖淤量。最常用的是斷面切割法：依據(jù)河勢與地形變化，切割若干河道斷面，計算斷面間河道槽蓄量，估算沖淤量［3、4］。

斷面間河道槽蓄量采用加權(quán)平均計算，其式為

式中：Wi為i，i+1斷面間河道槽蓄量（m3）；ΔLi為i，i+1斷面間距（m）；Ai，Ai+1為i，i+1斷面面積（m2）。

河道沖淤量的估算式為

式中：AS為河道沖淤量（kg或t，“+”為淤積“-”為沖刷）；ρ＇為泥沙干密度（kg／m3或為舊、新地形i，i+1斷面間河道槽蓄量；n為切割斷面總數(shù)。

地形法的適用性與精度主要取決于以下4個方面的條件或因素：

（1）應(yīng)滿足估算“造床高程（平灘水位）”條件。地形法估算的應(yīng)該是造床高程（平灘水位）下的河道沖淤量化，但實際應(yīng)用時“造床高程（平灘水位）”條件可能放寬到高洪、枯水河槽。

（2）河道地形資料應(yīng)完備。地形法主要依賴于河道地形資料，其完備是保證地形法精度的前提；地形資料的完備性主要體現(xiàn)在地形圖比尺不宜過小、測量高程應(yīng)覆蓋高水位河漫灘部分等。

（3）合理確定造床高程（平灘水位）。地形法第一個關(guān)鍵參系數(shù)是造床高程（平灘水位），它是確定“造床高程（平灘水位）”條件的唯一指標(biāo)。

（4）合理選取泥沙干密度。地形法需要進行泥沙沖淤的質(zhì)量與體積轉(zhuǎn)換，合理選取泥沙干密度非常關(guān)鍵。對于水庫淤積、壩下游河床粗化等河段，泥沙干密度的變化可能十分劇烈。

3.2 地形法估算新廠至監(jiān)利河段河道沖淤量

根據(jù)新廠至監(jiān)利河段1987年5-6月和1991年6月2次實測河道地形，分別切割52個河道斷面（圖1和圖5），將泥沙干密度視為常量處理，估算高程30，31，32，33，34，35，36 m時河道沖淤量見表3和圖6。

表3 地形法估算的新廠至監(jiān)利河段河道沖淤量（1987年5-6月至1991年6月）Table 3 Deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach estimated bymorphological changemethod（from May-Jun.1987 to May 1991）

圖5 新廠至監(jiān)利河段典型斷面Fig.5 Typical cross-sections of Xinchang-Jianli reach

圖6 地形法估算的新廠至監(jiān)利河段河道沿程累積沖淤量（1987年5-6月1991年6月）Fig.6 Deposition-erosion amounts along Xinchang-Jianli reach estimated by themap method（from May-Jun.1987 to Jun.1991）

估算成果初步分析如下：（1）依據(jù)長江科學(xué)院匯編《長江河道觀測資料（第一集）》，新廠、監(jiān)利平灘水位分別為36.69，30.86 m；為此推薦新廠至監(jiān)利河段平灘水位34.0 m，相應(yīng)的1987年5-6月至1991年5月新廠至監(jiān)利河段河道淤積量為0.438 3億t；

（2）隨估算高程的不同，地形法估算的河道沖淤量變幅較大；

（3）鑒于新廠至監(jiān)利河段估算時段內(nèi)處于自然演變且沖淤基本平衡，泥沙干密度常量處理是合適的。

4 輸沙量法與地形法對比分析

為了定量對比輸沙量法與地形法，作者將地形法估算的不同高程下新廠至監(jiān)利河段1987年5-6月至1991年5月河道沖淤量與輸沙量法估算的不同床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑下該河段1987年6月1日至1991年5月31日河道沖淤量繪制在同一張圖上（圖7）。經(jīng)過綜合分析，可以得到如下2點初步認識：

（1）采用輸沙量法，假設(shè)床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑為0.062 5 mm，1987年6月1日至1991年5月31日新廠至監(jiān)利河段河道淤積量為0.431 4億t；采用地形法，假設(shè)平灘水位為34.0 m，1987年5-6月至1991年5月該河段河道淤積量為0.438 3億t；2個估算結(jié)果非常接近。

圖7 輸沙量法與地形法估算的新廠至監(jiān)利河段河道沖淤量（1987年6月至1991年5月）Fig.7 Deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach estimated by the sediment load method and themap method（from Jun.1987 to May.1991

（2）沖淤平衡或基本平衡河道在造床條件下，只要可以合理確定床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑（輸沙量法）和平灘水位（地形法），輸沙量法與地形法估算的河道沖淤量是可以一致或非常接近；偏離河道沖淤平衡與造床條件越遠，2個方法估算結(jié)果之間的差異越大。這也是2個方法在估算水庫淤積、壩下游沖刷或者來水來沙劇變情況河道沖淤量不一致的主要原因。

5 結(jié) 論

（1）采用輸沙量法，假設(shè)床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑為0.062 5 mm，1987年6月1日至1991年5月31日新廠至監(jiān)利河段河道淤積量為0.431 4億t；采用地形法，假設(shè)平灘水位為34.0 m，1987年5-6月至1991年5月該河段河道淤積量為0.438 3億t。兩個估算結(jié)果非常接近。

（2）影響輸沙量法的關(guān)鍵參系數(shù)為床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑與懸沙級配，其適用性與精度還取決于“沖淤平衡”和“造床泥沙”條件的滿足以及水沙資料的完整性；影響地形法的關(guān)鍵參系數(shù)為平灘水位與泥沙干密度，其適用性與精度還取決于“造床高程（平灘水位）”條件的滿足以及河道地形資料的完備性。

（3）沖淤平衡或基本平衡河道造床條件下，只要合理確定床沙質(zhì)沖瀉質(zhì)分界粒徑（輸沙量法）和平灘水位（地形法），輸沙量法與地形法估算的河道沖淤量可以是一致或非常接近的；偏離河道沖淤平衡與造床條件越遠，兩個方法估算結(jié)果之間的差異越大。這也是兩個方法估算在估算水庫淤積、壩下游沖刷或者來水來沙劇變情況河道沖淤量不一致的主要原因。

（4）值得進一步深入研究工作包括：如何利用輸沙量法與地形法估算偏離沖淤平衡以及不同水位下的河道沖淤量；水利工程、采砂等人類活動對輸沙量法與地形法的影響；輸沙量法與地形法中關(guān)鍵參系數(shù)敏感性影響分析等。

［1］ 董耀華，盧金友，范北林，等.三峽水庫運用后荊江典型河段沖淤變化計算分析［J］.長江科學(xué)院院報，2005，22（2）：9-12.

［2］ 董耀華.葛洲壩工程對壩下游河道行洪影響的計算分析［J］.水利學(xué)報，1997，（9）：48-54.

［3］ 張瑞瑾，謝鑒衡，陳文彪.河流動力學(xué)［M］.武漢大學(xué)出版社，2007.

［4］ 李義天，鄧金運，孫昭華，等.輸沙量法和地形法計算螺山漢口河段淤積量比較［J］.泥沙研究，2002，（4）：20-24.

［5］ 張海燕，河道演變工程學(xué)［M］.方 鐸，曹叔尤，譯.科學(xué)出版社，1990.

［6］ 董耀華，惠曉曉，藺秋生.長江干流河道水沙特性與變化趨勢初步分析［J］.長江科學(xué)院院報，2008，25（2）：16-20.

（編輯：劉運飛）

Contrast study on Estimation of River Deposition-Erosion Amount by Sediment Budget Method and Morphological Change Method

DONG Yao-hua
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Regarding Xinchang-Jianli reach of the Middle Changjiang Jingjiang River as an example，on the basis of field data of runoffs，sediment loads and morphologies of river channels，deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianli reach from Jun.1987 to May 1991 are estimated by sediment budgetmethod and morphological changemethod.Difference，suitability and key influential parameters or coefficients of these two methods are preliminarily contrasted and analyzed.Main conclusions are as follow：（1）By means of sediment budget method and under separated sand size 0.062 5 mm ofwash load and bed material load，the deposition amount of XinChang-JianLi reach from 1st Jun.1987 to 31st May 1991 is estimated at 0.431 4×108t，while by means ofmorphological change method and under bankfull stage of 34.0 m，the deposition amount of Xin-Chang-JianLi reach from May-Jun.1987 to May 1991 is estimated at0.438 3×108t.，and two estimates are very close.（2）The key parameters or coefficients influencing sediment budgetmethod are the separated sand size of wash load and bed material load and the suspended sediment grading curves，while those affectingmorphological changemethod are the bankfull stage and the sediment dry density.（3）Under quasi-equilibrium of deposition-erosion and conditions of channel-forming，once the separated sand size ofwash load and bed material load（for sediment budgetmethod）and the bankfull stage（formorphological changemethod）are properly selected，deposition-erosion amounts estimated by both Methods can be obtained identical or very close，the more deviation from deposition-erosion equilibrium and channel-forming condition，themore different of results of these twomethods.

deposition-erosion of river channels；sediment budget method；morphological change method；deposition-erosion equilibrium；channel-forming condition；separated sand size of wash load and bed material load；bankfull stage

TV143.4

A

1001-5485（2009）08-0001-05

2008-10-10

“十一五”國家科技支撐計劃課題“三峽工程水庫泥沙淤積及其影響與對策研究”（2006BAB05B02）

董耀華（1966-）男，湖北蘄春人，教授級高級工程師，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究，（電話）027-82820010（電子信箱）DONGYH＠MAIL.CRSRI.CN。