弯道滩地植被作用下漫滩洪水水沙因子横向分布研究

孙雪雪，张明武，李小平，肖千璐，李奕宏

（1. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003； 2. 河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；3. 水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南 郑州 450003）

0 引 言

受水流运动及泥沙淤积的影响，天然河流通常具有典型的主槽和滩地。而弯道的水沙运动规律研究是天然河道水沙运动规律研究的基础，弯道水流在重力与离心力作用下将产生与顺直河道不同的运动特性，主要表现为水面纵横比降、横向环流、纵向垂线平均流速重分布等现象，是一种复杂的三维螺旋紊流，弯道水流特性决定弯道泥沙运动和河床演变的基本规律，对河床演变、河道整治、河岸防护等都有重要的影响［1，2］。同时，滩地植被对水流和泥沙运动有着显著的影响。一方面，当水流漫滩时，植被阻滞水流，减小植被区及其附近的水流流速，改变了水流流动结构，导致很强的横向剪切层的发生，影响河流质量和动量的交换，从而影响河道整体的水流输运能力，同时减小滩地的过流能力，并增大主槽过流量，造成河岸局部侵蚀和床面冲刷等现象。另一方面，植被在美化环境、水体生态修复、水土保持和固岸固滩方面有一定的作用［3-5］。

在弯曲复式河槽中滩地植被作用下的漫滩水沙结构方面的研究中，目前多见于清水水流和推移质运动规律，然而对于多沙河流，含沙水流是其特点之一，其在物理特性、运动特性和输沙特性等方面不能用已有的清水水流和推移质运动规律来描述，需改进现有理论模型，建立适用含沙漫滩水流的弯曲复式河槽和滩地植被耦合作用水沙输移横向分布模型［6，7］。

由于以往测量仪器的局限性，早期的研究主要集中在平均流速、阻力定律和粗糙度系数的估计上，对植被区的水流结构没有进行详细的描述、分析和理解［8］。这些水动力特征在防洪和泥沙运动中的意义尚未得到充分研究。针对没有考虑滩地植被作用下的弯曲复式河槽的水流特性，国内外许多学者开展过试验、数值模拟和理论研究。其中，Lambert和Sellin［9］试验研究表明:自然复式河槽水流结构极其复杂，传统的水力学分析方法不能有效的估计主槽和漫滩交界面大量的动量交换。对于弯道中的数值模拟技术，Zarrati 等［10］提出2 维水深平均数学模型对断面横向各点流速和水深进行了模拟；针对滩地植被和弯曲复式河槽耦合作用下的水流特性研究相对较少。Liu 等［11］针对滩地种草复式弯曲河槽进行试验，得到主槽的流速场、紊流结构和雷诺应力等试验数据，试验表明:滩地上柔性的草对整个河道的行洪能力有显著的减少作用。刘超等［12］主要研究滩地有植被的弯曲复式河槽中的横向流速分布问题，在动量方程中加入拖曳力，考虑主槽弯曲度与二次流的影响，沿水深积分时运用紊流扩散项的3 种不同积分方法，分别求得水深变化区域3种不同形式的流速分布解析解。考虑到弯曲复式河槽水流天然河流的泥沙问题。江恩慧等［13］和吴腾等［14］通过对水流微小控制体进行受力分析，从考虑侧向二次流惯性力和河道弯曲度的动量方程出发，进一步考虑滩地植被的影响，建立滩地植被复式河槽流速横向分布模型，提出滩地植被弯曲复式河槽流速和挟沙力的横向分布规律。槐文信［15］通过水槽实验，研究了淹没植被密度和上游流速对紊动能（TKE）以及植被区内细颗粒的净沉积分布的影响，与无植被河床（裸床）相比，植被化河床在特定区域有促进/阻碍沉积的作用，他进一步采用随机位移模型对泥沙颗粒的沉积模式进行数值模拟，发现植被产生的TKE 在大于临界值时，泥沙沉降概率随TKE 的增大而减小；小于临界值时，泥沙沉降概率等于常数，且与无植被河床的沉降概率相同。

本研究采用试验模拟和理论研究相结合的手段，建立滩地植被弯曲复式河槽模型，进而开展悬移质漫滩洪水演进的概化模型试验，分析滩地植被影响下弯曲复式河槽水流泥沙因子横向分布特征，对流速和挟沙力横向分布的分析解模型进行验证，该项成果将为黄河下游滩区运用和河道治理提供理论依据，并对丰富水沙运动的基本理论，促进水力学及河流动力学与生态学的融合具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 模型设计

弯曲复式河槽概化模型总长60 m，断面总宽度为7 m，其中主槽宽度为70 cm。弯曲段120°圆弧内半径为150 cm，外半径为220 cm。水槽两边的壁面采用砖砌水泥墙，床面采用粉煤灰，床面比降0.2%。为了控制槽内水位，槽尾设有可调高低的电动尾门。试验采用LS300-A 型便携式流速仪测量流速，采用比重瓶法测量含沙量。测量仪器包括比重瓶、高精度天平等。泥沙粒径采用泥沙激光粒度分析仪测量。模型现场布置见图1。

图1 概化水槽模型现场Fig.1 Panorama of the generalized water tank model

试验设计了5 段弯曲复式河槽，分别采用了5 种植被布置方案:第1 种是滩地无植被弯曲复式河槽；第2 种是滩地凸岸有一排植被的弯曲复式河槽；第3 种是滩地凹岸有一排植被的弯曲复式河槽；第4 种是主槽两岸滩唇处有一排植被的弯曲复式河槽；第5 种是滩地种满植被弯曲复式河槽。单株模型植被选用一次性竹筷，长度为7 cm，直径为5 mm。植被离主槽横向距离为10 cm，植被之间纵向间距为4 cm。滩地无植被情况，流速测量断面为CS6 和CS8。滩地凸岸有植被情况，流速测量断面为CS10 和CS12。滩地凹岸有植被情况，流速测量断面为CS14和CS16。滩地两岸有植被情况，流速测量断面为CS18和CS20。两岸滩地种满植被，植被之间横向和纵向间距均为10 cm，流速测量断面为CS22 和CS24。具体试验布置见图2。值得注意的是，两岸滩地无植被的两个弯道进口连接与后面4 个河段的不同，对实验结果有一定影响，特别是对于主槽的稳定性的影响。

图2 植被模型布置示意图Fig.2 Experimental design

1.1.2 试验组次与条件

根据含沙量的不同和泥沙粒径的不同组合，本研究设计以下7 种工况，设计流量为100 m3/h，实际情况有所出入。工况0是初始工况，目的是对初始设计的地形进行水流条件适应；不同含沙量分别是:小含沙量5 kg/m3左右，中含沙量14.5 kg/m3左右，大含沙量35.3 kg/m3左右，工况设置见表1。

表1 试验工况表Tab.1 Test condition

1.2 滩地植被弯曲复式河槽水沙横向分布理论公式

SKM 方法是Shiono 和Knight［4，16，17］以及Knight 和Shiono［4，5］提出的一个预测无植被河槽垂线平均流速和床面切应力分布的解析解模型，一开始没有考虑植被因素的作用。Rameshwaran 和Shiono［6］扩展和改进SKM 方法，增加植被因素，对于滩地有植被的顺直河道流速分布进行预测，结果表明该方法也能很好地应用于滩地植被作用下的复式河槽流速分布计算。

采用实验观测数据，验证滩地无植被、滩地凸岸有一排植被、滩地凹岸有一排植被、主槽两岸滩唇处有一排植被及滩地种满植被5 种情形流速横向分布公式。表2 为5 种情况的控制方程和边界条件。

表2 5种算例的控制方程和边界条件Tab.2 Control equations and boundary conditions of five examples

1.3 弯曲复式河槽垂线平均挟沙力横向分布模型

在获得弯曲复式河槽漫滩水流流速横向分布模型之后，进一步引入挟沙力公式，计算弯曲复式河槽漫滩水流垂线平均挟沙力横向分布。

悬移质输沙率公式有很多，本文采用张红武［18］挟沙力公式为:

式中:κ为卡门常数；γs为泥沙容重；γm为浑水容重。

因此，一旦流速横向分布和水深横向变化规律确定，则挟沙力沿横向分布可以直接求解。

2 成果分析

2.1 弯曲复式河槽植被作用下漫滩洪水流速的横向分布

滩地植被不同布置条件下弯曲复式河槽滩槽发生不同的冲淤演变。对于流速沿程变化，上段断面流速横向分布变化较大，下段流速相对均匀。由于滩地淤积主要集中在滩唇部分，导致中上段断面大流速不仅仅集中在主槽内，还出现在左右岸边壁附近，甚至出现边壁流速大于主槽流速。滩地植被对水流流速的减缓作用非常明显。两岸植被，不管是一排还是种满植被，都对主槽稳定有作用。滩地无植被情况下，主槽容易出现移动（另外，由于主槽两岸滩地未布置植被的第一段连续弯道主槽与进口的衔接，不同于后面四段的进出口衔接，一定程度上加重了主槽摆动）。滩地种满植被布置对滩地淤积以及滩地流速分布都有着均匀的作用，可以减小滩地边壁流速过大现象，以及增大主槽流速作用。在7 种不同工况（表2）下滩地无植被弯曲复式河槽流速比较图，见图3。

图3 断面不同工况流速比较图.Fig.3 Transverse velocity of each section under different working conditions

其中，对工况3下的流速分布做具体分析:滩地无植被弯曲复式河槽中（CS6），左岸滩地流速小于右岸滩地流速，主槽流速从左到右逐渐增大。最大流速出现在右岸滩地靠近主槽附近，最大流速为0.22 m/s。右岸边壁附近流速有所增加，达到0.20 m/s。滩地凸岸有植被弯曲复式河槽中（CS10），左岸滩地流速小于右岸滩地流速，主槽流速相对较小，主槽最小流速为0.050 m/s。植被区流速较附近流速最小。最大流速出现在右岸滩地，最大流速为0.18 m/s。滩地凹岸有植被弯曲复式河槽中（CS14），左岸滩地流速小于右岸滩地流速，主槽流速从左到右逐渐增大。植被区流速较附近减小明显，流速为0.026 m/s。最大流速出现在右岸滩地，最大流速为0.12 m/s。滩地两岸有植被弯曲复式河槽中（CS18），流速相对比较均匀在0.05～0.1 m/s之间波动。植被区流速较附近有所减小。滩地种满植被弯曲复式河槽中（CS22），流速相对比较均匀，在0.05 m/s附近。主槽流速比植被区流速略大。

2.2 滩地植被弯曲复式河槽水沙横向分布理论公式检验及挟沙力横向分布计算结果

2.2.1 滩地无植被弯曲复式河槽

滩地无植被弯曲复式矩形河槽中，左岸滩地流速小于右岸滩地流速。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐渐增加。模型计算结果在右岸滩地相较于测量结果相对平缓一些。测量结果右岸主槽附近的流速相对较大，然后向边壁有逐渐变小的趋势，计算结果没有完全模拟出来。主槽的挟沙能力变化比较大，凹岸小于凸岸。左岸滩地挟沙能力小于右岸，见图4（a）。

图4 断面计算与测量流速横向分布比较以及计算挟沙力.Fig.4 Velocity at the curved top of the curved compound rectangular channel and comparison chart of the transverse distributions of sediment carrying capacity

2.2.2 滩地凸岸有植被弯曲复式河槽

滩地凸岸有植被弯曲复式矩形河槽中，左岸滩地流速小于右岸滩地流速。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐渐增加。滩地植被处流速有急速的减小。模型计算结果与测量数据模拟得相对比较好。滩地凸岸有植被弯曲复式矩形河槽中，主槽的挟沙能力变化比较大，凹岸小于凸岸。右岸滩地植被处挟沙能力有一个突降。左岸滩地挟沙能力小于右岸，见图4（b）。

2.2.3 滩地凹岸有植被弯曲复式河槽

滩地凹岸有植被弯曲复式矩形河槽中，左岸滩地和右岸滩地流速基本相当。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐渐增加。滩地植被处流速有急速的减小。模型计算结果与测量数据模拟得相对比较好。主槽的挟沙能力变化比较大，凹岸小于凸岸。左岸滩地植被处挟沙能力有一个突降。左岸滩地挟沙能力和右岸的基本相当，见图4（c）。

2.2.4 主槽两岸滩唇处有一排植被弯曲复式河槽

主槽两岸滩唇处有一排植被弯曲复式矩形河槽中，左岸滩地和右岸滩地以及主槽流速基本相当。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐渐增加。两岸滩地植被处流速有急速的减小。模型计算结果与测量数据模拟得相对比较好，只在边壁处计算结果小于测量数据。主槽的挟沙能力变化比较大，凹岸小于凸岸。两岸滩地植被处挟沙能力有一个突降。左岸滩地挟沙能力和右岸的基本相当，见图4（d）。

2.2.5 滩地种满植被弯曲复式河槽

滩地种满植被弯曲复式矩形河槽中，左岸滩地和右岸滩地流速基本相当，主槽流速相对较大。主槽流速由凹岸到凸岸流速逐渐增加。模型计算结果与测量数据模拟得相对较好。主槽的挟沙能力相对较大，而且变化比较大，凹岸小于凸岸。左岸滩地挟沙能力和右岸的基本相当，见图4（e）。

3 结 论

基于黄河下游片林和高秆作物对滩地含沙水沙运动和淤积实际考虑，提出弯曲复式河槽概化模型试验，得到如下结论。

（1）滩地植被对水流流速的减缓作用非常明显；两岸植被不管是一排还是种满植被，都对主槽稳定有作用；滩地无植被情况下，主槽容易出现移动。

（2）滩地种满植被布置对滩地淤积以及滩地流速分布都有着均匀的作用，可以减小滩地堤脚流速过大现象，以及增大主槽流速作用。

（3）通过5 个算例对滩地植被的弯曲复式河槽流速横向分布模型进行检验。通过解析解模型结果和试验结果对比，整体上分布模型和试验结果相符合。