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]。由此可见沙质河床下伏卵石层的研究具有重大的工程意义。要对我国三峡水库修建后下游河道的下切深度作出准确的预报，必须对长江河床下伏卵石层的作用进行深入研究。为了进行类比，我们以二十多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分析。所研究河段示意图见图1。

2 河床冲刷过程

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：

　　(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。

　　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]。例如，根据最小能耗假说进行河床调整讨论时，大都将河宽、比降和糙率列为三个可调整变量^[7]。在具有下伏卵石层的沙质河床中，随着卵石层的暴露，河床糙率将急剧增大，使水流阻力增大。由于能量损失的加大，河床将不得不采取加大比降调整图形的内在机理。从图上可以看出，河床加陡始于1969年，正好与卵石层开始暴露、河床急剧粗化的时间相一致。

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/0.76γHJ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0.76γHJ用来表示所受到的最大水流切力^[8]。限于所能得到的资料，以蓄水运用开始的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]。本文的成果可以认为是对前人研究的一种补充，有助于更全面地认识水库下游河床调整过程这一十分复杂的问题。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.