摘要： 以二十余年的观测资料为基础，对汉江丹江口水库下游河床调整过程中下伏卵石层的作用进行了系统的分析 。在沙质河床中存在着下伏卵石层的情况下，卵石层的暴露是使河床下切受到抑制的决定性因素。随着卵石层的暴露，河床糙率将急剧增大，局部河床将不得不采取加大比降的方式进行补偿。当卵石层出露以后，河底抗冲性急剧增大，使得河岸相对于河底的抗冲性大大减小，因而可能出现展宽趋势。
关键词： 下伏卵石层 河床调整 汉江
1 问题 的提出
受第四纪冰期低海面和冰后期海面升高的影响 ，世界上和我国东部平原的很多大河出山口后的床面以下都发育了埋藏卵石层。在这些河流上修建水库以后，随着河床冲刷的进行，下伏卵石层可能会逐步暴露，从而对河床调整过程产生深远的影响。迄今为止，国内外尚未对这一问题进行过系统的研究 。
钱宁等[1] 3 种不同的粗化类型，即沙质河床下伏卵石层因冲刷而出露所导致的粗化、卵石夹沙河床的粗化和细沙河床的粗化。对于后两种类型，前人已在永定河和汉江进行过较多的研究[2 ，3] [2 ，4] 计算 和数学模型中，也注意到了具有下伏卵石层的河床中当沙层冲走后的粗化，并讨论了这种粗化对河床调整的影响，但依据实测资料在宏观的尺度上进行系统分析的工作，尚少见于报道。
图1 汉江中游示意图
HTSSLocation map showing study area
埃及尼罗河上阿斯旺水坝修建以后，大坝下游河段实际上观察到的下切深度仅为0.7m ，比不同的研究者所预报的数值(2.0 ～8.5m) 都要小得多，Schumm 等认为这与河床以下埋藏着不连续的卵石层有关[5] 方法 对汉江丹江口水库下游河床调整过程中下伏卵石层的作用进行了分析。所研究河段示意图见图1 。
2 河床冲刷过程
丹江口水库建成于1959 年，1960 ～1967 年为滞洪运用，1967 年以后为蓄水运用。从丹江口以下，现代 汉江河床为沙质河床，床沙中径由0.35 ～0.45mm 逐渐减小到0.20mm 。在现代河床之下，埋藏着卵石层，其比降大于现代河床比降，因而其埋藏深度大致向下游增大。卵石层顶面并不规则，具有一定的起伏，故随着冲刷的进行，不同的河段受到卵石层影响的程度是不同的。
图2 中点绘了距大坝8km 的黄家港河段的深泓高程随时间的变化。可以看到，在水库滞洪运用阶段 (1960 ～1967 年) ，河床冲深为3m 左右。进入蓄水运用阶段以后，河床迅速冲深，1968 ～1971 年间即达5m 左右，平均每年超过1.5m 。但从1971 年以后，河床冲刷突然变慢，此后深泓高程一直在75.0m 上下波动，河床冲刷基本上不再发展 。上述情况的形成，除了水库运用方式的变化外，主要是由于受到床沙组成急剧变化的影响。
图2 建库后黄家港河段深泓高程随时间的变化
Temporal variation in thalweg elevation at Huangjiangang station
3 河床冲刷过程中床沙的变化及其对冲刷过程的反馈作用
为了揭示冲刷过程中河床物质组成的变化及其对冲刷过程的反馈作用，我们在图3 中给出了黄家港与傅家寨两个地点1959 年和1979 年床沙的级配曲线。在1979 年的采样中，包括了不同深度上的样品。从图中可以得到下列认识：
图3 黄家港和傅家寨河段床沙级配曲线
Grain size distributions at Huangjiangang and Fujiazai stations in 1959and 1979
(1) 黄家港1959 年的级配曲线位于粉沙和沙质的范围内，中径为0.35mm ，而1979 年河床表层的物质则全部位于砾石的范围内，中径为65mm ，二者毫无共同之处。显然，到1979 年，沙质河床之下的卵石层已经全部暴露出来。傅家寨的情况大致与此类似。
(2) 就1979 年河床而论，从表层向下，物质组成逐渐变细，说明在卵石层暴露以后，仍然存在着选择侵蚀，使表层发生明显变化，进而形成粗化层。
图4(a) 中点绘了建库后黄家港河段床沙中径随时间的变化。可以看到，到1968 年以前，床沙中径均在0.25 ～0.50mm 之间，略有粗化，但从1968 年开始，床沙急剧变粗，在3 至4 年中床沙中径即达到50mm 左右。可以认为这是一种突变现象。这显然表明，从1971 年开始，卵石层已经全部暴露出来。卵石层暴露出来以后，因其起动流速远大于沙质粒级，故对于冲刷过程产生了显著的反馈作用，使冲刷迅速受到抑制。将图4(a) 与图2 相比较，很容易看出，1968 ～1971 年间，在河床下切的同时，床沙急剧变粗；到1971 年以后，卵石层基本上全部暴露出来，河床下切便迅速变慢以至趋于停止。这说明在沙质河床中存在着下伏卵石层的情况下，卵石层的暴露是使河床下切受到抑制的决定性因素。
图4 床沙中径的时空变化
Temporal and downstream variations in median size of bed material
上文中主要讨论了距大坝不远的黄家港及傅家寨河段的河床下切过程。为了查明卵石层的影响 范围，我们在图4(b) 中点绘了1959 年及1979 年床沙中径的沿程变化。1979 年的曲线表明，在从大坝至大坝以下90km 处的河段上，中径变化于100 ～10mm 之间；但再往下游去，在不足10km 的距离上，中径由10mm 突然下降到0.50mm 以下。这说明，卵石层暴露的影响可以达到距大坝90km 处。这种影响是不容忽视的。
4 对河床调整的影响
研究 表明，除了对下切过程的影响外，下伏卵石层的暴露还影响到河床形态的调整，使之出现不同于一般沙质河床或卵石河床的特征。
4.1 下伏卵石层对比降调整的影响
一般而言，由于水库拦蓄了大量的泥沙，水库下游的河床调整都趋向于调平比降以重建平衡。但是，如果下伏卵石层因冲刷而暴露出来，情形便会有很大的不同。图5(a) 中给出了黄家港至光化和襄樊至宜城两个河段的比降随时间的变化。前者河床中下伏卵石层已暴露，后者则为沙质河床，不受下伏卵石层的影响。可以看到，在黄家港至光化河段的曲线上，从1959 年至1969 年，比降逐渐减小，但从1969 年以后，比降则有增大的趋势。对于不受下伏卵石层影响的河段( 如襄樊至宜城段) 而言，河床比降则出现持续下降的趋势。
在早期的研究中，人们对比降的调整十分重视，但后来逐渐认识到，河床的调整也包括河床横断面形态、平面形态以及糙率的调整[6] [7] 1969 年，正好与卵石层开始暴露、河床急剧粗化的时间相一致。
图5 河床比降及横断面的调整
Adjustment in channel slope and cross section
4.2 河床横断面的调整
水库下泄清水以后，下游横断面的调整取决河床下切和河岸拓展两个方面作用的对比关系。可以看到，下伏卵石层在决定下切、展宽关系中起到了重要的控制作用。图5(b) 中以丹江口至宜城河段各个固定断面的资料为基础，点绘了相对展宽率与河岸抗冲性指标的关系。这里相对展宽率定义为调整前后河宽之差与调整前的河宽之比，而河岸抗冲性则用M/0.76 γHJ 来表示，式中M 为河岸物质中的粉沙粘土含量，γ为水的比重，H 为水深，J 为比降。这里分母0.76 γHJ 用来表示所受到的最大水流切力[8] 1967 年的资料代表调整前，以1974 年的资料代表调整后。为了使调整前后的河宽具有可比性，所用的流量为中水流量，相当于多年平均流量(1400 ～1600m3 /s) ，而不是建库前的平滩流量。
该图表明，相对展宽率随河岸抗冲性的增大而减小。值得注意的是，数据点可以分为两个条带，其斜率不同。河底出露卵石层或受卵石层直接影响的断面，都位于上方的直线中，而下方的直线中则只包含未受卵石层影响的断面。这显然是由于，当卵石层出露以后，河底抗冲性急剧增大，使得河岸相对于河底的抗冲性大大减小，因而出现更为明显的展宽趋势。换言之，当卵石层暴露以后，如果河岸的抗冲性较小，则河床形态可能向宽浅发展 。此外，上述两类断面河宽调整趋势的差异，还与来自上游的泥沙供应条件有关。卵石层出露段，来自上游方向的细泥沙供应量十分有限，岸滩冲刷后难以淤回；沙质河段细泥沙供应较为丰富，岸滩冲刷后容易淤回，这也是使前者的展宽趋势更为明显的因素之一。
5 结论与讨论
本文以二十余年的观测资料为基础，运用地貌学方法 对汉江丹江口水库下游河床调整过程中下伏卵石层的作用进行了系统的分析 。在沙质河床中存在着下伏卵石层的情况下，卵石层因水流冲刷而暴露可视为一种突变现象。这是使河床下切受到抑制的决定性因素。随着卵石层的暴露，河床糙率将急剧增大，局部河床可能采取加大比降的方式进行补偿。当卵石层出露以后，河底抗冲性急剧增大，使得河岸相对于河底的抗冲性大大减小，因而在最初阶段的下切之后可能出现展宽趋势，表现为一种复杂响应过程。
应该指出的是，丹江口水库下游河床调整的影响 因素很多，除了本文所讨论的下伏卵石层暴露的影响外，来水来沙条件的变化也起着重要的控制作用，这方面前人已作了大量的研究 工作[9] 问题 。本文的成果还表明，为了使长江三峡水库下游河床演变数学模型的计算 结果更符合实际，应该在模型中考虑卵石层因水流冲刷而暴露的影响，否则将无法得到准确的预报结果。
参考 文献
1 钱宁，麦乔威。水库修建后下游河道重建平衡的过程。水利 学报，No.1,15-15 ， 1958.
2 尹学良。清水冲刷河床粗化研究。水利 学报，No.1,15-25 ， 1963.
3 韩其为，向熙珑，王玉成。河床粗化。第二次河流泥沙国际学术讨论会论文 集，水利 电力
出版社，356-367 ， 1983.
4 杨美卿，陈亦平。卵石夹沙河床长期清水冲刷的数学模型。泥沙研究，No.1,45-54 ，1988.
5 Schumm,S.A.and Galay,V.J.,The river Nile in Egypt. In:S.A.Schumm and B.R.Winkley (Editors), The Variability of Large Alluvial Rivers,ASCE Press, New York,75-102, 1994.
6 钱宁，张仁，周志德。河床演变学。科学 出版社，1987.
7 Yang,C.T.,On river meanders, Journal of Hydrology,Vol.13,231-253, 1971.
8 许炯心。水库下游河床调整复杂响应的试验研究。泥沙研究，No.2,49-57, 1986.
9 韩其为，童中均。丹江口水库下游河床演变特点及其机理。见：丹江口水库下游河床演变
分析文集。长江流域规划办公室 水文局， 17-39 ， 1982.
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