CN109145457A - 一种基于纵向河势调整传递及阻隔机理的河型划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利工程技术领域，具体地指一种基于纵向河势调整传递及阻隔机理的河型划分方法。计算研究河段的上游河道与下游河道的水位下降值ΔH和上游河道河床与下游河道河床的高程下降值ΔZ，对水位下降值ΔH和高程下降值ΔZ进行比较分析：当ΔH不大于ΔZ时，下游河道河势调整并没有传递到上游河道，本研究河段为纵向阻隔型河段；当ΔH大于ΔZ时，即下游河道河势调整传递到了上游河道，本研究河段为纵向非阻隔型河段。本发明的河段河型划分方法对纵向河势调整的传递及阻隔机理进行了准确的分析，能够准确的对研究河段进行划分，为河段治理提供良好的理论依据，提高河段治理的效果和效率。

Description

一种基于纵向河势调整传递及阻隔机理的河型划分方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体地指一种基于纵向河势调整传递及阻隔机理的河型划分方法。

背景技术

长江中下游地区通江达海，交通便捷，素有“黄金水道”之美誉。长江是我国第一、世界第三大河，发源于素有“世界屋脊”之称的青藏高原，之后蜿蜒东流，出三峡峡谷后，进入长江中下游平原地区，干流河道全长6300km。长江是我国经济社会发展的重要水源地、能源基地，在国家经济发展战略中占有重要的地位和作用。近年来，国家把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护、不搞大开发，以“维护健康长江，促进人水和谐”为宗旨，开展长江河道治理和生态保护。长江中下游稳定的河势条件，不仅关乎沿江两岸防洪保安以及航运高效畅通，更是深入贯彻落实国家关于长江生态环境保护的战略部署、促进长江经济带绿色健康发展的必然要求。

长江中下游河势稳定不仅在于边滩、江心洲滩、浅滩、深槽、主泓等河床形态及平面位置的稳定，从长河段来看，更重要的在于具有稳定的河床纵剖面。以20世纪60～70年代下荆江三次裁弯为例，裁弯大幅度缩短河道长度，造成上游河道发生长距离、长时间的冲刷，累计持续时间达14年之久，枝城～碾子湾河段累计冲刷4.5亿m³左右，累计冲刷深度达1.88m；陈家湾、沙市、郝穴水位下降分别为1.2、 1.4、1.4m，新厂和石首水位均下降1.8m左右；裁弯段以下则发生大幅度淤积，1970～1980年天星阁～城陵矶河段平滩河槽下累计淤积约 0.66亿m³，累计淤积厚度达0.8m左右。显然，如此强烈的纵向河势调整使上、下游长河段内的河床纵剖面发生大幅度冲淤变形，纵向河势调整具有传递性，因此严重影响了长江中下游总体河势稳定。可见，研究基于纵向河势调整传递及阻隔机理来划分河型的方法，进而提出适宜的河势控导措施，对维持长河段纵向河势稳定的意义十分重大。

平衡纵剖面，是指流域水沙来量与河道水沙输移能力处于动态平衡状态的纵剖面。进入河槽的水沙来量与河道水沙输移能力是矛盾的对立统一体，由于外部条件不断变化，纵剖面形态不可能时时处处恰好与来水来沙条件、上下游河势条件相适应。J.H.Mackin“平衡河流”概念认为，当控制因素发生变化而使河流失去平衡后，河流自动调整作用使这些变化带来的影响受到遏制，从而使整个系统逐步回到平衡。河床冲刷调整的总方向是降低河槽挟沙能力，以使其与上、下游河势相适应。当纵向河势调整导致上游侵蚀基面下降后，调平河床纵剖面是调整挟沙能力的最有效途径，也可通过床沙粗化等来减缓或阻止河道进一步下切。一方面，粗化后的河床能够抑制冲刷，即便细沙河床无法形成抗冲覆盖层，但随着床面泥沙补给减少和水流阻力增大，水流挟沙力大为降低，冲刷速率将大为减小；另一方面，河床冲刷过程中，若遇到局部侵蚀基面，如海平面，湖泊和水库、干流的顶托，支流在干流的堆积物，河床局部地形隆起等，冲刷就将受到遏制。

例如，在国内外研究中，关于形成局部侵蚀基准面，进而遏制冲刷的例子屡见不鲜。德克萨斯州内彻斯河冲刷止于海平面；俄克拉荷马州北加拿大河有支流入汇，支流带来的泥沙在河口形成淤积对干流上游河段起到局部侵蚀基准面的控制作用；瑞波布利肯河裸露的基岩以及雷德河的砾石滩也对河段冲刷起到控制作用。相反，河流发生溯源堆积往往也是因出口侵蚀基准面上升造成的，这类淤积通常从下游产生，然后逐渐向上游发展，淤积厚度下游大于上游，新的河道比降将小于原河道比降。例如，美国西部间歇性河流资料表明，从纵剖面上可以明显看出，洪水中形成的堆积物不断向上游延伸的过程。

再如，也有部分学者认为，侵蚀基面变化后，纵比降调平并非是河床纵剖面调整的唯一路径。以水库下游河道冲刷为例，坝下河床纵比降调平并不明显，此时挟沙能力减小主要通过床沙粗化、增大河床阻力、减小流速、降低水流挟沙力等方式实现。分析其原因，一方面，冲刷很快发展到相当大的距离，比降不容易发生大幅度调平；另一方面，挟沙能力降低可以通过河床物质粗化作用完成。实测资料还显示，若河床物质组成可粗化到直接形成抗冲覆盖层，则比降调平并不明显；若河床不足以形成抗冲覆盖层，则伴随着河床物质粗化，比降也将调平，一直到双重作用使河道挟沙能力与上游来沙量相适应为止。

因此，纵向河势调整的传递路径也不外乎上述两种。当下游纵向河势调整后，并未继续向上游传递的主要原因可能包括：河床物质组成本身较粗，使得本河段不必继续显著粗化也可抵制尾部河床下切带来的“溯源冲刷”的可能性；或河段尾部存在控制性节点，水面纵比降相对较缓，使得本河段不必发生纵剖面调平也可与下游河势调整相互适应，进而抵抗河床显著冲刷下切。

长江中下游河道能够引起纵向河势调整的传递现象包括裁弯、主支汊易位、撇弯切滩等；同时还包括弯颈裁弯导致下游河长显著缩短，导致上游侵蚀基面下降，引发上游纵比降及水流挟沙力增大，发生溯源冲刷；或者主支汊易位或撇弯切滩导致主泓线路显著缩短，引起上游相应的河床部位的纵比降改变，从而将下游河势调整向上游传递。此时，若本河段床沙质相对较细、尾部卡口壅水作用较小，则难以阻止这种传递作用，则可能发生河床粗化、比降调平等现象，以再次形成与下游调整后的河势相适应的纵剖面，这类河段称为纵向非阻隔性河段；反之，则称为纵向阻隔性河段。

纵向阻隔型河段和非阻隔型河段应对下游河势调整的作用机理是完全不一样的，针对不同的河段需要采用不同的控导措施。而如何对长江中下游河道的河型进行划分，并根据不同的河型进行不同的针对性强的调控治理，是当前河势演变机理研究的前沿问题，也是科学合理地布置河势控导措施的重要突破口。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术中提到的纵向河势调整的传递及阻隔机理尚不明确，不能很好地应用于河型的划分，提供一种基于纵向河势调整传递及阻隔机理的河型划分方法。

本发明的技术方案为：一种基于纵向河势调整传递及阻隔机理的河型划分方法，其特征在于：计算上游河段与下游河段的水位下降值ΔH和上游河段与下游河段的河床高程下降值ΔZ，对水位下降值ΔH 和高程下降值ΔZ进行比较分析：

当ΔH不大于ΔZ时，即下游河道河势调整并没有传递到上游河道，本研究河段为纵向阻隔型河段；

当ΔH大于ΔZ时，即下游河道河势调整传递到了上游河道，本研究河段为纵向非阻隔型河段。

进一步的根据下列公式计算水位下降值ΔH和高程下降值ΔZ之间的关系：

其中：ΔH——下游河势调整后，上游河段的同流量下水位下降值；

h₀——下游河势调整之前的断面平均水深；

B₀——下游河势调整之前的河道宽度；

B——下游河势调整之后的河道宽度；

i₀——下游河势调整之前的河床比降；

i——下游河势调整之后的河床比降；

n——下游河势调整之后的糙率；

n₀——下游河势调整之前的糙率；

ΔZ——下游河势调整后，上游河段出口处河床高程下降值，即上游河段的断面平均冲刷深度。

本发明的河段河型划分方法对纵向河势调整的传递及阻隔机理进行了准确的分析，通过比较研究河段上下游河道的水位下降值ΔH 和高程下降值ΔZ，能够准确的判断下游纵向河势调整是否能够传递到上游河道，并据此对研究河段进行划分，获得研究河段准确的河型类别成果，为河段治理提供良好的理论依据，提高河段治理的效果和效率，针对于河道纵剖面治理及控导措施研究领域具有极大的推广价值。

附图说明

图1：各单一河段床沙中值粒径与能够形成抗冲覆盖层的最小粒径的关系；

图2：各单一河段尾部卡口阻水比与壅水高度的相关关系；

图3：纵向阻隔性及纵向非阻隔河段的阻水比及壅水高度；

图4：胭脂坝河段床底人工加糙工程布置图；

图5：下荆江河势控制工程布置图；

图6：陆溪口河段洲头切滩、新周期初始演变图；

图7：界牌水道河势控导工程布置图；

图8：罗湖洲主支汊易位对上游湖广水道的影响图；

图9：湖广水道河势控制工程布置图；

图10：昌门溪水位下降不同幅度后沙泓内沿程水面线；

图11：芦家河水道河势控导方案；

图12：搁排矶～鲤鱼山水道深泓线年际变化图；

图13：搁排矶水道河势控导工程布置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

某一河段在纵向上能够阻止下游河势调整向上游传递的途径主要有两种：一是河床具有较粗的粒径和较强的抗冲能力(纵向卡口控制作用)；二是河段出口具有单侧或双侧节点，限制水面纵比降变陡 (平面卡口控制作用)。无论何种纵向调整的控制作用，下游河段对上游河段的影响始终是通过本河段河床纵剖面冲淤、同流量水位调整引起的，集中表现在水位降落值与河床冲深值的对比关系上，可以据此判别本河段是否为纵向阻隔性河段。水位降落与河床调整的关系可概化为如下形式：

由均匀流公式可写出：

B₀h₀u₀＝Bhu (式1)

其中：B₀——下游河势调整之前的河道宽度，(m)；

B——下游河势调整之后的河道宽度，(m)；

h₀——下游河势调整之前的断面平均水深，(m)；

h——下游河势调整之后的断面平均水深，(m)；

u₀——下游河势调整之后的断面平均流速，(m/s)；

u——下游河势调整之后的断面平均流速，(m/s)。

其中：i₀——下游河势调整之前的河床比降；

i——下游河势调整之后的河床比降；

n₀——下游河势调整之前的糙率。

n——下游河势调整之后的糙率；

同流量情况下，上游河段的水位高程和下游河段的水位高程之间的关系为：

其中：ΔH——下游河势调整后，上游河段的同流量下水位下降值，(m)；

h₀——下游河势调整之前的断面平均水深，(m)；

B₀——下游河势调整之前的河道宽度，(m)；

B——下游河势调整之后的河道宽度，(m)；

i₀——下游河势调整之前的河床比降；

i——下游河势调整之后的河床比降；

n——下游河势调整之后的糙率；

n₀——下游河势调整之前的糙率；

ΔZ——下游河势调整后，上游河段出口处河床高程下降值，即上游河段的断面平均冲刷深度。

引起水位降落的主要因素有：下游河床纵剖面下切、侵蚀基面变化、纵比降和阻力分布情况调整等。下游纵向河势调整之后，本河段出口处河床地形高程下切，本河段水位是否随着河床地形下切而发生明显下降，进而引起河段内部流速增大、纵剖面冲刷下切、同流量下水位降低，主要取决于与1的对比关系。当ΔH不大于ΔZ 时，即不小于1，认为此时下游河段河势调整并没有传递到上游河段，本研究河段为纵向阻隔型河段。

当ΔH大于ΔZ时，即小于1，认为此时下游河段河势调整传递到了上游河段，本研究河段为纵向非阻隔型河段。

纵向河势调整的传递路径，即当下游纵向河势调整后，并未继续向上游传递的原因不外乎两种情况：第一，存在纵向卡口，河床物质组成本身较粗，使得本河段不必继续粗化也可抵制尾部河床下切带来的“溯源冲刷”趋势；第二，存在平面卡口，即河段尾部存在控制性节点，水面纵比降相对较缓，使得本河段不必发生纵剖面调平也可与下游调整后的河势相互适应，进而抵抗河床显著冲刷下切。

能够形成抗冲覆盖层的最小颗粒D₀可以按下式决定：

式中，c——反映大小颗粒间相互作用的参数；

γ_s,γ——泥沙和水的容重，(kN/m³)；

D₀——能够形成抗冲覆盖层的最小颗粒粒径，较D₀大的泥沙颗粒难以冲刷起动，(mm)；

R_b′——与沙粒阻力有关的水力半径，(m)；

R_b′J——可能出现的特大洪水时的沙粒阻力水力半径与坡降的乘积。

按照上述计算方法，用现状各河段床沙中值粒径，减去能形成抗冲覆盖层的最小粒径，得到两者差值。如图1所示，当差值大于0时，说明现状床沙中值粒径大于形成覆盖层的临界粒径，现状河床抗冲能力较强，基本能够抵抗该河段平滩流量下水流冲刷作用；当差值小于 0时，说明现状床沙中值粒径小于形成覆盖层的临界粒径，河床抗冲能力不强，单纯的河床抗冲刷作用无法抑制纵向河势调整的传递作用。

在纵向阻隔性河段中，节点形成了平面卡口，限制河段末端水位降落，进而避免本河段河床显著冲刷进而引起上游河势剧烈调整。根据卡口壅水高度计算方法，来研究平面卡口对水位降落的抑制作用。

首先，统计长江中游27个单一河段尾部卡口的阻水比，建立阻水比与各个河段平面卡口的壅水高度的相关关系发现，如图2所示，两者呈正比例关系，且相关程度较好。纵向阻隔性河段尾部节点的阻水比大于0.08，形成的平面卡口将产生较明显的壅水影响，壅水高度全部大于0；而纵向非阻隔性河段尾部节点的阻水比小于等于0.07，形成的平面卡口的壅水作用，壅水高度基本小于0。

在水力坡降较小的缓流情况下，卡口壅水高度计算可采用D＇ Aubuisson公式：

式中：ΔZ——壅水高度，(m)；

ΔB——卡口占用水面的宽度，(m)；

b——河道底部宽度，(m)；

Q——过流流量，(m³/s)；

μ——与卡口平面形态有关的水流侧收缩系数；

h₃——卡口下游断面的水深，(m)。

阻水比的计算公式为：

其中：α——阻水比；

Fr_3c——发生卡克水流(即卡口处出现临界水深)时的下游Froude 数；

K_L——墩后水流扩散损失系数。

按照上述计算方法，如图3所示，纵向阻隔性河段的阻水比均大于纵向非阻隔性河段；纵向阻隔性河段的壅水高度均大于0，纵向非阻隔性河段的壅水高度均小于0。

事实上，河段具有纵向阻隔性，是纵向卡口与平面卡口的综合作用。部分河段纵向卡口或平面卡口的单一作用即足够维持其纵向阻隔性，但也有部分河段需要两种作用的合力才使得河段具有纵向阻隔性。纵向卡口作用主要表现在，如图1所示，现状床沙中值粒径大于能形成抗冲覆盖层的最小粒径，即两者差值大于0的河段，绝大多数河段均为纵向阻隔性河段，但也有石首、龙口、搁排矶等水道的现状床沙中值粒径不足以形成抗冲覆盖层，但由于其平面卡口作用较强，而具有纵向阻隔性。平面卡口作用主要表现在，如图3所示，尾部节点的阻水比较小，形成的平面卡口壅水高度小于0的河段，绝大多数河段均为纵向阻隔性河段，但也有砖桥、汉金关水道的尾部卡口壅水作用相对偏弱，但由于其纵向卡口作用较强，仍具有纵向阻隔性。因此，若河段具有纵向阻隔性，则纵向卡口及平面卡口作用均是其不可或缺的重要因素。

总体而言，纵向阻隔性河段由于其自身具有较粗的河床质抵抗溯源冲刷，或尾部平面卡口有效壅高水位，大于1或仍接近1，当下游纵向河势调整后，本河段的同流量下水位下降值小于河床下切值，即本河段不会发生明显河势调整，可认为本河段阻止了下游河势纵向调整向上游的传递。纵向非阻隔性河段的河床质粒径较细，尾部卡口壅水作用不明显，小于1，当下游纵向河势调整后，同流量下水位下降值大于河床下切值，即本河段可能发生大幅度冲刷下切，引发明显河势调整，继而使下游纵向河势调整向上游传递。

实施例1：胭脂坝河段根据式3，该河段ΔH小于ΔZ，即大于1，因此该河段为纵向非阻隔型河段，由于其纵向卡口控制能力较弱，下游河势调整传递到上游河段。对计算结果进行验证表明，胭脂坝河段平面卡口阻水比为0.135，大于0.08，壅水高度为27.9mm，该河段现状床沙中值粒径与形成覆盖层的临界粒径的差值小于0，说明河床抗冲能力较弱，难以形成纵向卡口抵抗水流的强烈冲刷。总体而言，胭脂坝河段表现为纵向非阻隔性河段。

三峡水库蓄水以来，宜昌河段的冲刷主要集中在宝塔河～虎牙滩段，如图4所示，深泓下切明显，2002～2007年平均下切1.5m，其中胭脂坝冲刷最强烈，最大下降7m。相对于陈二口以上河段，陈二口以下河床冲刷幅度较小，虽然总体呈冲刷趋势，但沿程冲淤相间，冲刷主要集中于高程相对较低的下凹段，芦家河毛家花厂～姚港、枝江李家渡～肖家堤拐等高凸位置床硬难冲，年际之间纵剖面相对稳定。因此，通过实施胭脂坝段河床实施护底加糙工程，可以有效遏制上游宜昌河段的河床下切及枯水位下降。

人工护底加糙工程在胭脂坝河段长达10km的范围内，共布置6 道护底带，每道护底加糙带宽180m，采用50cm厚的水下抛石。工程实践成果表明，人工护底加糙在一定程度上减轻了胭脂坝下游冲刷向上游的传递，护底工程对局部比降和糙率产生影响，具有加糙作用，护底的位置在工程实施后已不再下切，对宜昌枯水位下降有一定的控制作用。

实施例2：下荆江连续弯道根据式3，下荆江部分水道的ΔH小于ΔZ，即大于1，因此下荆江河段仍为纵向非阻隔型河段，下游河势调整传递到上游河段。对计算结果进行验证，下荆江河段中，碾子湾、河口、莱家铺、大马洲、铁铺、七弓岭等水道的平面卡口阻水比分别为0.025、0.023、0.015、0.066、0.050、0.046，均小于0.08，壅水高度均小于0，说明河道相对宽浅，缺少能够有效约束主流摆动的平面卡口。但塔市驿水道尾部有东山、西山对峙节点，平面卡口阻水比为0.126，壅水高度为20.3mm；石首水道尾部有东岳山，平面卡口阻水比为0.293，壅水高度为90.1mm；调关水道尾部有人工矶头，平面卡口阻水比为0.172，壅水高度为38.4mm，说明这些水道的平面卡口控制能力相对较强；但上述水道的现状床沙中值粒径与形成覆盖层的临界粒径的差值均小于0，说明这些水道河床抗冲能力较弱，纵向卡口控制能力相对较弱。总体而言，下荆江河段表现为纵向非阻隔性河段。

对于下荆江的连续河湾而言，当一个弯道发生裁弯、撇弯切滩或斜槽切滩等后，河势调整必然向上、下传递，正所谓“一弯变，弯弯变”。裁弯(自然或人工)则会导致上、下游河道发生长距离、长时间的纵向冲淤调整。下荆江于1967年中洲子人工裁弯，1968年上车湾人工裁弯，1972年沙滩子自然裁弯，上述裁弯发生后，上游枝城～碾子湾河段冲刷量明显增加，1965～1970年平滩河槽下冲刷量约为0.8 亿m³，1970～1975、1975～1980年平滩河槽下分别冲刷1.5亿m³、2.2 亿m³，而1980～1986年淤积0.4亿m³，可见1967～1980年是下荆江裁弯导致上游河道冲刷的主要时期，冲刷持续达14年之久，期间枝城～碾子湾河段累计冲刷4.5亿m³左右，按照平滩河宽为1200m计算，则累计平均冲刷1.88m。与此同时，下荆江裁弯后的1970～1980年则呈淤积趋势，1980年之后又呈冲刷趋势。1970～1980年裁弯段下游的天星阁～城陵矶河段平滩河槽下累计淤积约0.66亿m³，按照平滩河宽为1200m计算，则累计淤积0.8m左右；1980～1986年天星阁～城陵矶河段累计冲刷0.99亿m³，累计冲刷1.2m左右。

如图5所示，根据下荆江连续弯道容易发生裁弯的特点，以及裁弯造成的上、下游河道剧烈纵向冲淤调整的影响，下荆江河段的河势控导思路在于，对于弯曲度较小或适中的平顺河湾，采取大量平顺护岸工程守护连续弯道的弯颈和凹岸弯顶部位，避免弯颈崩塌而发生裁弯，或发生斜槽切滩使河湾的弯曲率进一步加大；对于弯曲度过大或有矶头挑流的河湾，可适度采取裁弯措施，减轻畸湾对河势稳定性带来的危害，采取措施减轻矶头挑流强度，维护现有相对稳定的河势。

具体控导工程措施包括：通过对向家洲、北门口、沙滩子自然裁弯段、中洲子裁弯段主流顶冲段、上车湾裁弯段顶冲段、盐船套至荆江门段、熊家洲、天字一号、观音洲、七弓岭等岸段进行护岸工程的延护和加固，维持现有河势的稳定；对熊家洲至城陵矶河段继续实施河势控制工程，采取新护措施，抑制河道的进一步弯曲，防止自然裁弯的发生。远期采取措施改善石首弯道、调关弯道等弯曲半径过小的不利河势，减轻北门口及调关矶头的迎流顶冲及挑流强度；积极研究下荆江出口荆河脑凸岸边滩实施裁弯的可行性。

实施例3：界牌水道容易受到下游鹅头型汊道——陆溪口水道主支汊易位引起的主汊河长变化或汊内纵比降变化的影响，导致本河段侵蚀基面调整或不同流路对应的河床部位的变形。根据式3，该河段ΔH小于ΔZ，即大于1，因此该河段为纵向非阻隔型河段，下游河势调整传递到上游河段。对计算结果进行验证，界牌及新堤水道尾部具有石码头、黄盖山形成对峙节点，平面卡口阻水比为 0.216，大于0.08，壅水高度为37.1mm；该河段现状床沙中值粒径与形成覆盖层的临界粒径的差值小于0，说明河床抗冲能力较弱，纵向卡口控制能力较弱。总体而言，界牌水道表现为纵向非阻隔性河段。

如图6所示，陆溪口河段在1967-1971、1983-1985年间均是以新洲洲头被横向漫滩水流切割形成洲头心滩为标志的新一轮周期变形的开始时段。由于洲头切滩、新生汊较原中汊缩短河道里程达2km，加之上游石头关水道床沙质抗冲能力较弱，两岸也缺少能够壅高水位、阻止水位下跌的控制性节点或缩窄性断面，这种作用通过石头关水道传递至上游新堤水道的末端，导致南门洲汊道出口水位下降，加大了右汊深槽的吸溜作用，导致新堤右汊分流比增大。可见，陆溪口新洲洲头发生切滩、新生支汊代替原中汊，使主流流路长度缩短，引发上游水位的下降效应，通过石头关水道传递至上游新堤水道，导致新堤右汊冲刷发展为主汊，进而影响上游界牌水道河势。

因此，界牌水道与新堤水道之间的石头关水道不具有阻隔纵向河势调整向上游传递的功能。界牌水道的河势控导思路在于，通过加强界牌～新堤水道尾部石码头、黄盖山对峙节点的控制作用，避免下游石头关～陆溪口河势调整引起水位下跌后，新堤汊道内水面纵比降的增加以及分流比的重新调整，进而阻止纵向河势调整向上游传递；通过在界牌水道顺直放宽处设置若干丁坝，缩窄主槽宽度，限制滩体大幅度上提下移引起的深泓纵剖面不稳；通过在洲头与支汊之间布置鱼嘴、洲头及其布置锁坝，稳定新堤汊道分流比，避免分流比调整甚至主支汊易位后带来汊内纵剖面剧烈调整，引起上游界牌水道不同流路下纵比降的显著变化及相应河床部位的冲淤变形。

如图7所示，具体河势控导工程方案包括：①右岸自鸭栏以下布置14座丁坝，以堵塞上边滩与右岸之间的串沟、倒套，稳定上边滩，缩窄主槽；②在新淤洲头部布置鱼嘴，控制过渡段下移，稳定主槽；③在新淤洲与南门洲之间的横槽进口布置锁坝一座，稳定该河段两侧分流格局，适当增加新堤夹下段流量，减缓淤积。

实施例4：湖广水道容易受到下游鹅头型汊道——罗湖洲水道主支汊易位引起的主汊河长变化或汊内纵比降变化的影响，导致本河段侵蚀基面调整或不同流路对应的河床部位的变形。根据式3，该河段ΔH小于ΔZ，即大于1，因此该河段为纵向非阻隔型河段，下游河势调整传递到上游河段。对计算结果进行验证，湖广水道尾部具有赵家矶、中观矶、泥矶等节点，平面卡口阻水比为0.125，大于0.08，壅水高度15.4mm；该河段现状床沙中值粒径与形成覆盖层的临界粒径的差值小于0，说明河床抗冲能力较弱，纵向卡口控制能力较弱。总体而言，湖广水道表现为纵向非阻隔性河段。

如图8所示，下游罗湖洲水道主汊从圆港易位至直港(碛矶港)，主流流路缩短长度约4.4km，占原来圆港总长度的57％。主流长度的缩短必然导致上游水面比降变陡，导致上游湖广水道枯水期主流流路趋直。1979年罗湖洲圆港仍较为畅通时，枯水期湖广水道末端侵蚀基准面下降幅度仍不明显，此时湖广水道上、下深槽5m等深线交错分布、仍未贯通；而1985年枯水期主流完全易位至直港后，湖广水道水面比降加大、流速加大、主泓冲刷效果明显，是10m等深线也几近贯通。这说明，下游主流流路缩短、将降低上游河段的侵蚀基准面，导致上游河段水面比降加大、河床冲刷速率加快。

综合上述分析可以发现，由于下游罗湖洲水道的圆港与直港的流路长度区别较大，当主泓在两个汊道内摆动时，河长变化带来比降变化，引起上游湖广水道出口侵蚀基面的调整，导致湖广水道内水流纵比降及流速发生变化，主槽冲刷速率以及浅滩水深发生调整。正是由于下游罗湖洲水道对上游湖广水道的纵向河势的影响，湖广水道河势调控的主要思路在于，稳定水道中下部赵家矶边滩，强化出口中观矶、泥矶对河势的控制作用，尽量减小下游罗湖洲主流流路缩短造成湖广水道纵比降增加的影响；加强岸线守护，减弱进口猴子矶等矶头挑流对不同流量级下主流摆动的推动作用，稳定河势，避免下游不同流路的河床比降向上游传递带来本河段的滩槽剧烈调整。

如图9所示，具体河势控导工程方案包括：①上、下游整体考虑，在湖广水道右岸赵家矶边滩上布置6条护滩，限制滩头后退、窜沟上延发展，稳定赵家矶边滩；②对左岸汪家铺～挖沟段岸线进行水下加固，与边滩守护工程配合，河道边界条件保持稳定；③猴子矶炸礁工程，以向右岸有效拓宽弯道宽度，增加弯曲半径，同时改善该位置的水流流态紊乱的问题。

实施例5：芦家河水道毛家花屋～火箭闸段的河床抗冲性较强，有利于形成纵向卡口，来限制昌门溪以下水位降落向上游传递引起的河床下切，应采取措施保护该段河床较强的抗冲性，防止卵石层冲开。根据式3，该河段ΔH大于ΔZ，即小于1，因此该河段为纵向阻隔型河段，下游河势调整被阻隔而无法传递到上游河段。对计算结果进行验证，芦家河水道毛家花屋～姚港段形成对峙节点，平面卡口阻水比为0.314，大于0.08，壅水高度为88.7m，能够有效限制水位降落，平面卡口控制能力强；该河段现状床沙中值粒径与形成覆盖层的临界粒径的差值大于0，说明河床抗冲能力较强，纵向卡口控制能力也较强。总体而言，芦家河水道表现为纵向阻隔性河段。

以芦家河水道为例，如图10所示，当下游昌门溪以下水位发生大幅度下跌后，水位降落开始向上游传递，上游姚港以下河段水位基本与昌门溪保持同步下降，但这种降落作用传递至姚港段以上，姚港～倒挂金钩石之间的降幅则自下而上递减，至毛家场附近水位降低已不明显，这充分体现了毛家花屋～姚港区段对上游水位的控制作用，即经过倒挂金钩石～姚港河段的缓冲作用，下游的水位下降基本不对上游产生明显影响。分析其原因认为，芦家河河床组成较复杂，在毛家花屋、火箭闸附近，河床横断面卵石层平均高程较高，形成了抗冲性较强、河床较高、宽度较窄的区段，即是深泓突然的转折点，又是过水面积的控制性瓶颈区，从而造成了较大的水位落差，使该区间对上游水位产生较强的控制作用，阻隔了下游→上游水位降落的传递作用。

可见，芦家河水道姚港～倒挂金钩石以上河道之所以没受到下游昌门溪水位下降的影响而发生河床纵剖面下切，原因在于毛家花屋～火箭闸一带卵石形成的较高河床的强制性控制作用。但另一方面，芦家河深泓纵坡面的骤然下切必然引起坡陡流急、水流流态紊乱。因此，芦家河水道的河势控导思路在于，维护好毛家花屋～火箭闸段较强抗冲性的河床形成的纵向卡口的控制作用，防止卵石层冲开后昌门溪下游水位降落向上游的传递作用；通过工程措施既要限制上游水位下降幅度，又要缓解坡陡流急的局面，从而考虑将上下游之间较大的集中落差改变为分散落差；为避免沙泓实施开挖之后水位下降造成两汊横向水位差进一步加大，考虑采取隔流堤等措施隔断石泓向沙泓的横流。

具体的河势控导工程方案布置为：如图11所示，在毛家花屋～姚港实施沙泓开挖，开挖控制高程28.5m；同时在石泓实施开挖，开挖控制高程31.4m。碛坝中下部高程较低且存在串沟，横向水位差最大、横流最明显的位置，建设隔流堤，隔流堤顶部高程为36m。

实施例6：搁排矶水道沿程有较多节点控导水流，应采取措施保护节点免遭水流淘刷破坏，从而塑造的窄深型断面壅水；同时采取平顺护岸措施，保持节点以外的岸线稳定，避免下游河势调整向上游传递，导致本河段相应河床部位的纵比降变化。根据式3，该河段ΔH 大于ΔZ，即小于1，因此该河段为纵向阻隔型河段，下游河势调整被阻隔而无法传递到上游河段。对计算结果进行验证。搁排矶水道尾部有冯家山、半壁山形成对峙节点，沿程还有猴儿矶、尖峰山、牛关矶等节点控制河道断面，平面卡口阻水比高达0.35，壅水高度达98.6mm，能够有效限制水位降落，平面卡口控制能力强；该河段现状床沙中值粒径与形成覆盖层的临界粒径的差值大于0，说明河床抗冲能力较强，纵向卡口控制能力也较强。总体而言，搁排矶水道表现为纵向阻隔性河段。

如图12所示，下游鲤鱼山水道1959～1970年时鲤鱼洲尚为靠右岸边滩，深泓沿左岸下行至冯家山，再逐渐过渡至右岸鲤鱼洲洲尾； 1981年鲤鱼洲边滩发生切滩，右汊贯通，鲤鱼洲洲头分流点相对居中靠上；至1998年洲头分流点位置变化不大，而鲤鱼洲洲体左缘发生冲刷导致左汊深泓线向洲体方向内凹；至2006年分流点下挫右移，鲤鱼洲洲头部分冲刷较为严重。但上述时段内，上游搁排矶水道(猴儿矶至田家镇段)的深泓平面位置始终保持稳定。

搁排矶水道深泓纵剖面在1981～2001年间淤积抬升或冲刷下切的幅度均非常小，基本保持稳定。考虑到搁排矶水道两岸沿线有猴儿矶、尖峰山、余家山、仙棚咀、牛关矶、半壁山、冯家山、象山等山体控制，形成了两岸抗冲性极强的边界条件，有效限制了河道展宽，多年来深泓纵剖面也已基本下切至基岩或强抗冲性的河床部位，继续冲刷的幅度也非常有限；沿线山体及较窄的河道断面控制了河道水位，使得该河段同流量下水位基本不会发生大的改变，较难受到下游河道纵剖面调整或水位升降的影响；下游水位降低时，半壁山和冯家山一对矶头形成卡口限制了上游水位随之下降。综上所述，搁排矶水道起到阻止下游河势调整向上游传递的作用，因此认为其是阻隔性河段。

搁排矶水道的河势控导思路在于，采取措施维持河段沿城猴儿矶、尖峰山、余家山、仙棚咀、牛关矶、半壁山、冯家山、象山节点的平面卡口控制作用，即便下游鲤鱼山水道深泓平面摆动甚至主支汊易位，导致相应部位河床纵向下切，上游搁排矶水道沿城节点形成的卡口壅水作用可防止下游河势纵向调整向上游的传递，并形成的窄深型河道断面显著缩减河道过水断面面积，进一步增强了这种壅水作用。同时，采取护岸工程措施守护矶头、山岩以外的岸线，确保搁排矶水道深泓位置及河势的稳定。

具体的河势控导工程方案布置为：如图13所示，保持尖峰山、牛关矶、半壁山、象山等节点的控制作用，同时对两节点之间抗冲性较弱的岸线薄弱环节(如猴儿矶至尖峰山之间)采取加固或新护的护岸工程进行守护，保持沿程单一窄深的河道断面以及对水位变化的较强控制作用。

综上所述，对于纵向河势调整的传递河段而言，河势控导工程应针对传递河势调整的关键要素，采取适当措施以减弱这种影响。例如，针对河床抗冲性较差而下游河势调整易于向上游传递的河段，例如昌门溪水位下降主要受到昌门溪～沙市水位下降的影响，宜昌水位下降则主要受到陈二口水位下降的影响，此时采取人工加糙措施，例如对胭脂坝河段床底加糙，对枝江～江口河段局部床底加糙，可有效遏制下游河床下切、水位降落对上游河势调整的影响。再如，针对下荆江连续弯道容易发生大幅撇弯切滩、裁弯等导致上游纵比降显著变化的特点，应采取平顺护岸工程守护凹岸弯顶，避免斜槽切滩或剧烈崩岸导致河湾向畸湾方向发展；加强对连续曲率半径较小的弯道的弯颈守护，防止发生弯颈裁弯；对于弯曲率过大的河湾考虑采取裁弯措施。

针对界牌、湖广这类易受到下游鹅头型汊道——陆溪口、罗湖洲水道(主汊与支汊流路长度区别较大)影响的河段，下游主、支汊易位带来的汊道河长及汊内纵比降的显著变化，会导致上游出口侵蚀基面的调整，以及上游河段不同流路对应的河床部位发生冲淤变形。此时一方面需采取措施加强上游出口处节点的控导作用，防止上游侵蚀基面大幅度下切；另一方面需对上游河道放宽处或历年来洲滩显著冲淤变形处进行滩体固定或守护，例如对界牌水道上边滩布置14道丁坝，对湖广水道赵家矶边滩布置6道护滩带，缩窄主槽宽度形成壅水作用，同时防止下游各汊道分流特性变化后，上游不同流路纵比降调整及其引发的滩体大幅度上提下移；也可在下游汊道进口布置鱼嘴或支汊布置锁坝，稳定各汊分流比，避免分流形势剧烈变化，为上游提供较好的纵向河势条件；同时加强岸线的平顺守护，进一步稳固和控导有利河势。

对于纵向河势调整的阻隔河段而言，河势控导工程应以保护纵向河势调整的阻隔要素为主。针对芦家河水道毛家花屋～火箭闸段的河床抗冲性较强，有利于形成纵向卡口，来限制昌门溪以下水位降落向上游传递引起的河床下切，应采取措施保护该段河床较强的抗冲性，防止卵石层冲开；同时又要缓解坡陡流急的局面，采取局部河床扩挖以及隔流堤等措施将集中落差改变为分散落差。针对龙口、黄石、搁排矶等尾部或沿程有节点控导水流的河段，应采取措施保护上述节点免遭水流淘刷破坏，从而当下游水位降落、本河段侵蚀基面下降后，节点及节点塑造的窄深断面产生的壅水作用，可以减轻本河段河床大幅度冲刷；同时采取加固或新增的平顺护岸措施，保持节点以外的凹岸岸线的稳定，避免下游深泓剧烈摆动、不同流路对应的河床纵剖面显著调整后，继续向上游传递，导致本河段相应滩槽部位纵比降变化并引发相应的纵向冲淤变形。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种基于纵向河势调整传递及阻隔机理的河型划分方法，其特征在于：计算研究河段的上游河道与下游河道的水位下降值ΔH和上游河道河床与下游河道河床的高程下降值ΔZ，对水位下降值ΔH和高程下降值ΔZ进行比较分析：

当ΔH不大于ΔZ时，下游河道河势调整并没有传递到上游河道，本研究河段为纵向阻隔型河段；

当ΔH大于ΔZ时，即下游河道河势调整传递到了上游河道，本研究河段为纵向非阻隔型河段。

2.如权利要求1所述的一种基于纵向河势调整传递及阻隔机理的河型划分方法，其特征在于：根据下列公式计算水位下降值ΔH和高程下降值ΔZ之间的关系：

其中：ΔH——下游河势调整后，上游河段的同流量下水位下降值；

h₀——下游河势调整之前的断面平均水深；

B₀——下游河势调整之前的河道宽度；

B——下游河势调整之后的河道宽度；

i₀——下游河势调整之前的河床比降；

i——下游河势调整之后的河床比降；

n——下游河势调整之后的糙率；

n₀——下游河势调整之前的糙率；

ΔZ——下游河势调整后，上游河段出口处河床高程下降值，即上游河段的断面平均冲刷深度。