关键词:异重流;拦门沙坎;回水变动区;三角洲;河口;
水库是为解决地表径流时空上的重新分配,满足防洪、灌溉、航运等需要而建造的人造湖泊。为解决泥沙淤积引起的调节性能降低、淹没区盐碱化等运行中出现的经济、生态或安全问题,以泥沙动力学理论为基础,相关研究机构对水库泥沙冲淤规律进行了深入研究,为其合理运用进而实现兴利除弊的目标提供了重要依据。
库区水流存在壅水流态和均匀流态,其中的壅水流态可以发生3种输沙和淤积机制:①推移质运动,因水流挟沙能力降低,入库推移质在回水末端淤积,悬移质中粗颗粒泥沙在回水末端下游淤积并向上下游发展,在干、支流回水末端分别形成“翘尾巴”和“拦门沙坎”淤积形态;②悬移质运动,泥沙扩散到水流全断面,由于壅水,沿程水深加大、流速降低、挟沙能力递减,受重力和紊流扩散影响,除粒径极细的悬移质泥沙沿水深较均匀分布,普遍存在含沙量梯度;坝前方向,水深增加,挟沙能力降低,悬移质中的部分粗颗粒泥沙逐渐落淤,构成水库泥沙淤积的主体;③异重流运动,在满足特定的边界(库区地形或比降)和水沙(流量、泥沙粒径、含沙量)条件下,入库挟带细颗粒泥沙的高含沙浑水因密度差沿三角洲前坡潜到清水下并沿库底向下游运动,形成异重流输沙流态。
受输沙流态、地形、回水变动区长度等影响,水库可形成三角洲淤积、带状淤积和锥体淤积剖面形态:①三角洲淤积,地形开阔、库容大、水位变幅小、淤积可自由发展、来沙粒径粗是三角洲淤积形成的主要条件,多见于库容相对于入库洪水量大的水库,特别是湖泊型水库,是水库淤积的基本形态。挟沙水流进入回水末端后,流速沿程递减,推移质淤积形成尾部淤积段,悬移质中部分床沙质沿程落淤形成顶坡淤积段,悬移质中其它床沙质因过水断面扩大和紊动强度锐减而落淤形成前坡淤积段,其它细颗粒泥沙落淤形成异重流淤积段或坝前淤积段。②锥体淤积,底坡陡、回水曲线短、水位变幅大、入库水流含沙量高是锥体淤积形成的主要条件,发育于多沙河流上的中小型水库,主要特点是泥沙淤积较快发展到坝前,形成锥体淤积。③带状淤积,水位变幅大的河道型水库是形成带状淤积的主要条件,该型水库沿程分为回水变动区、回水区行水段和回水区静水段。回水变动区(最高、最低水位相对应的两个回水末端间),水位高时, 水深沿程增大,具壅水特征,流速锐减,推移质和悬移质中粗颗粒泥沙发生淤积;水位低时,接近于天然河流状态,水沙运动具有河道特性, 河床变形以冲刷为主;水位在淤积发展过程中大幅变动,水流挟沙量较小时,回水末端变动范围内将产生一系列微型三角洲并叠加形成带状淤积。回水区行水段(最低水位的回水末端以下),水体具有一定流速,悬移质泥沙沿程均匀分布并淤积。回水区静水段(流速基本为零的近坝区),仅有少量极细颗粒泥沙发生淤积。
水库(人工湖泊)泥沙淤积特征为深入理解河控三角洲沉积特征和生长模式供了启示:
(1)水库泥沙淤积主要形成于洪水期,淤积体形成速度受入湖径流中的流量、含沙量、水位等因素控制,河控三角洲的生成速度同样受上述因素控制。
(2)水库淤积体展布形态受泥沙粒径、输沙流态、库区地形、回水变动区范围等因素控制,回水末端具有“翘尾巴”或“拦门沙坎”淤积形态;河控三角洲沉积体的形态同样受控于河口地形、湖岸线摆动(回水变动区范围)等因素,具有“湖岸线控砂”的特点。
(3)水库异重流是库底泥沙淤积的可能来源,其产生及持续运动需要特定的边界和水沙条件;由于仅细颗粒泥沙能形成稳定的悬沙体系,异重流可部分解释半深湖-深湖泥岩、泥质粉砂岩成因。
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