复式分汊河道流速分布及河床冲淤特性

成佳慧，李润祥，闫晓楠，张 婧，郭志学，朱殿芳

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.西华大学，四川 成都 610039；3.成都市市政工程设计研究院有限公司，四川 成都 610023)

1 概述

河流是自然界生态系统的重要组成部分，为人类社会的发展和生物生存提供了重要的资源保障。在天然河流中，由主槽和边滩组成的复式断面是一种常见的河道断面形态，与单一河道相比，复式断面的水流运动特性及河床演变规律存在较大差别。当水流漫上边滩，过流断面形状的复杂及滩槽阻力的差别，使得水流的运动特性会发生较大改变。Knight等[1]通过顺直水槽试验揭示了滩槽水流之间的动量交换，并有不少学者基于滩槽之间的动量交换推导了预测复式河道流速分布、剪切应力分布及水位流量关系的方程，比如Shiono and Knight[2]、Knight and Hamed[3]、Yang等[4]和许唯临[5]。为了更加贴近天然复式河道，许多学者进行了复式河道的相关动床试验。Knight等[6]、Knight and Brown[7]进行了主槽铺沙、边滩定床的相关试验及研究总结，对刚性边界条件下的漫滩水流阻力、主流河床地形演变等进行了相关研究。杨晓蕾等[8]采用多种综合糙率计算方法，对一典型复式河道的糙率进行对比计算。

对于平原河流来说，其一般具有较为宽广的河漫滩，当遇到较大洪水或边滩局部抗冲性差异较大时，漫滩水流可能发生边滩切割现象，单一河道会逐渐演变成为复式分汊河道[9]。Redolfi等[10-11]认为影响分汊河道发展的重要原因是河道水沙运动特点，而影响水沙运动主要有“自由”机制的内因和“强迫”机制的外因。分汊角的大小不仅会影响到环流强度，同时也会导致两汊的泥沙分配比例与流量分配比例的差异性[12]。刘韶华[13]以辽宁社河分流工程为例研究了分汊河道水流的相关特性。Sellin等[14]指出河道断面呈复式时，滩槽之间的水流相互掺混，分汊处的水流结构更加复杂。对于分汊河道的江心洲，其发展形态与河道水沙运动相互影响[15]。李志威等[16-17]通过理论分析，指出江心洲洲头的淤积对整个沙洲的发展有着重要的影响作用，并通过试验数据建立了理论模型分析沙洲的淤积速率及揭示了其发育规律。

前人对复式河道研究主要集中在单一顺直复式河道及单一弯曲复式河道，对复式分汊河道分汊口、汇流口演变及主支汊的过流断面变化研究较少。复式分汊河道是一种较为常见的河道形态，如图1所示，因此本文通过水槽试验，对复式分汊河道定床流速分布、动床清水冲刷下的河床演变特点进行了相应的试验研究，对于河道的管理和建设有重要的意义。

图1 复式分汊河道(四川省成都市锦江段)

2 试验布置

试验水槽为顺直型复式断面分汊水槽，修建在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室试验厅。在定床边界条件下进行了水流结构测量，为了探究动床情况下的河床形态变化，进行了一系列动床试验，如图2所示。动床试验床采用天然沙铺设，中值粒径为0.81mm，如图3所示，江心洲洲头采用粒径3～4cm卵石进行加固以增强其抗冲性。

图2 复式分汊水槽动床试验边界图

图3 天然沙级配曲线图

水槽长12m，宽2m，纵向比降0.1‰，上游的末端连接了进水管道、三角堰、进水前池和消能花墙，水槽下游连接出流闸门和尾水沉沙池。试验水槽的两侧为有机玻璃边墙，边墙上修建有平行导轨，导轨上安装了固定试验仪器的支架平台，支架平台和测量仪器均能向三轴方向移动进行相应测量工作。水槽主体试验段可分为5段，如图4(a)所示，分别为上游单一复式段(CS01—CS03)、分流段(CS04—CS07)、复式分汊段(CS08—CS14)、汇流段(CS15—CS16)、下游单一复式段(CS17—CS18)。整个水槽上下游以CS11(x=6m)对称，单一复式段与汊道段以弧线平顺连接，整个水槽复式断面滩槽比为1∶2.5，复式分汊段支汊与主汊主槽宽度比为1∶1.5。由于天然河道的自然演变，支汊的入口高程普遍要高于主汊，因此本文设计支汊高程比主汊高3.5cm，断面的具体尺寸以CS01、CS11为典型断面进行详细标注，如图4(b)—(c)所示。

图4 试验水槽平面布置及典型断面尺寸细部图(单位：m)

为了便于分析，建立了笛卡尔三维坐标系，其原点位于水槽CS01断面右侧边墙的底部，如图4(b)所示。在动床工况下，为了校核拍照处理所得数据的准确性，采用全站仪获取水槽边壁坐标贴纸坐标，故垂向坐标值为成都坐标系下的实际高程值，但x、y方向的坐标与定床坐标系保持一致。

在本文中，共设置了定床、动床2个边界条件，每个边界条件各开展2个流量梯度试验，相应的试验工况见表1。试验选取了18个测量断面(CS01—CS18)，每个断面垂向测点布置间距为2cm，平面测点布置如图4(a)所示。根据河床的断面形态在滩槽交界处适当加密测点，流速测量仪器为ADV。动床试验数据采集范围为整个试验水槽，在排干水槽积水后，使用固定于试验平台上的单反相机进行拍照，每张照片的像素为4800×3200，相邻照片的横向重合率为60%，纵向重合率为80%。将照片导入到计算机软件Agisoft Metashape Professional，生成水槽的正射影像及DEM图，采用ArcGIS Pro对所得DEM图进行高程数据提取及高程变化图绘制。

表1 试验工况表

3 结果与讨论

3.1 计算方法及水力参数

在定床试验中，对测量所得原始数据整理计算，通过公式(1)—(4)计算得到相应水力参数，包括垂线平均纵向流速(up)、垂线平均横向流速(vp)，垂线平均流速(Vp)。

(1)

(2)

(3)

(4)

3.2 垂线平均流速分布特点

图5展示了主槽水流的垂线平均流速大小、方向以及水动力轴线的发展。对比30、45L/s下垂线平均流速的大小及方向，能更为直观显示出主槽边界对主槽水流的影响。CS01—CS03段水动力轴线由横断面中线偏向主槽一侧，主汊引水强于支汊一侧，江心洲洲头的阻水作用使得此区域动力轴线贴近于两侧主槽边壁，但随着江心洲洲头内侧边壁的高流速区，引导了动力轴线向此处发展。

图5 主槽水动力轴线

对比CS06—CS15区间的两汊动力轴线形态，支汊主槽及其左边滩宽度较窄，水流受限于主槽的约束强于主汊，所以整体上支汊的摆动强于主汊。对比动力轴线开始摆动的位置，支汊动力轴线在纵向距离上提前于主汊动力轴线0.50m，其在CS13断面开始就贴近于江心洲侧向汇流段发展。相比于主汊而言，汇流段支汊具有更大的水流偏转角度，使得其动力轴线更多偏向于下游单一段的主汊一侧，而主汊动力轴线在此区域显得与下游衔接更为顺直。

对比支汊内2条动力轴线的形态，小流量下出现了3次摆动，而大流量下的支汊水动力轴线却较为平顺。这主要是由于小流量下滩面水深浅，水流受限于主槽边壁约束的作用更明显，而在较大滩面水深下，主槽水流与滩面水流掺混交换增强，使得水流更加平顺，流速分布更加均匀，弱化了主槽对水流的约束。主汊2条动力轴线摆动趋势相似，但是与支汊现象一致，同样是小流量下的摆动幅度大于大流量，摆动位置提前于大流量情况下近0.5m，但摆动后趋于平顺位置相似。究其原因，同样是因为流量的加大，使得整个水流的流速分布更加均匀，主槽对水流的限制作用表现减弱。

为更好展示河槽断面形态及江心洲对水流分布的影响，绘制了45L/s下全河段垂线平均流速分布图，如图6所示。在该流量下，河段的平均水深为17.87cm，滩面平均水深5.87cm，最大流速的纵向连线处于水槽横断面中点连线附近。这说明在此滩面水深情况下，江心洲对整个河道的主动力轴线走向影响不大，但江心洲洲头对局部水流的影响依旧很大，洲头流速低值区、洲头两侧主槽附近局部高值区都是受其影响产生。在CS06—CS08间，江心洲洲面上产生一个明显的局部高值区，通过对试验过程的观察可知，通过此段的水流受到洲头阻碍作用，主槽水流垂向翻转，致使表层水流产生波状流向下发展，从而加快了表层流速，CS08断面后趋于稳定，断面流速分布变得均匀。在分流段与汊道段的交界附近(CS04—CS09)，靠近水槽外边壁区存在明显的流速低值区，这是因为过流断面的扩大使得外侧水流出现低速脱壁流，中间侧与外侧水流较大的流速梯度进一步压缩限制了此区域的流速发展，加上CS07断面后水槽外边壁转为顺直，使得偏转水流受到较大阻力。

图6 45L/s流量下垂线平均流速平面分布图

3.3 河床表面冲刷形态

图7为冲刷稳定河床正射影像图。整体来看，河床各段均有不同程度的冲刷及坍塌变形，但仍然保持复式过流断面形态。上、下游单一段主槽及边滩发生较大冲刷。由于江心洲洲头的阻水作用，此处水流的挟沙能力降低，大量泥沙淤积在洲头前侧，而主汊分流能力较大，泥沙以推移质形式向主汊下游运动。泥沙淤积导致主汊入口高程不断抬高，主汊水动力轴线向江心洲一侧偏移，对江心洲洲头后端边滩产生冲刷，在45L/s下此现象较为明显。相对主汊而言，支汊由于主槽宽度较小，且整体高于主汊3.5cm，所以其受冲刷较弱，随着流量的增大，支汊入口左边滩较小流量情况下发生较大冲刷，但泥沙淤积至分流段结束没有继续向下发展，滩面与主槽的交界线依旧较为清晰。下游汇流段主汊右侧边滩冲刷严重，小流量下支汊侧左边滩冲刷较小，这与图5所展示的垂线平均流速分布特点相吻合。

图7 冲刷稳定河床正射影像图

将不同流量下冲刷稳定后的地形与天然地形进行高程数据相减运算，得到冲刷前后河床高程变化图，如图8所示。随着流量的增大，河床整体的冲刷淤积趋势变化不大。30L/s下河床高程变化范围为-8.4～6.7cm，45L/s下河床高程变化范围为-8.9～11.6cm。在不同流量情况下，泥沙最大冲刷深度接近，而大流量下淤积高度远大于小流量，最大淤积位置主要集中在主汊CS06—CS08分流段，这一部分淤积的泥沙主要来自于上游右边滩的侧岸侵蚀。江心洲洲头在卵石加固的保护下，抗冲能力加大，极好地保护了整个江心洲洲面的冲刷。而主汊泥沙淤积使得其水动力轴线偏向江心洲一侧，使得CS08—CS09区间内的江心洲一侧岸坡冲刷更加明显。

图8 冲刷前后河床高程变化图

3.4 河床断面冲刷形态

运用软件ArcGIS Pro，将初始河床、冲刷稳定后的河床床面高程数据进行提取，绘制了断面形态变化图，如图9—10所示。与天然河床比较，复式断面的主槽几乎全部发生了泥沙淤积，对比每个断面的冲刷量与淤积量，大致可以推断CS01断面前河床发生较为严重的冲刷。上游单一复式段(CS01—CS03)主槽的泥沙淤积量与岸滩冲刷侵蚀量基本相当。与30L/s下的冲刷形态对比，随着来流的增大，右侧岸滩侵蚀加大，岸坡变缓，主槽深泓线整体右移，进一步侵蚀削减右侧岸滩宽度。从分流段(CS04—CS07)可以看出，上游单一段表现出来的水流侵蚀右侧岸滩的趋势得到了遏制，主要是由于上游来沙大量淤积在主汊位置，淤积的床沙使得主汊主流位置偏向河道中心，分流段与分汊复式段交界处的流速低值区也保护了右侧岸滩的进一步侵蚀。在CS08断面附近，泥沙淤积高度基本达到最大值，其最大高程点略低于江心洲洲面且位于主汊河槽中部，可以明显看到此处主汊由单一断面发展成分汊断面。

图10 CS09-CS18冲刷断面形态图

CS08—CS14为复式汊道段，支汊断面形态及江心洲的洲面高程变化很小，意味着这些地方由于流速较小从而冲刷较小。而在定床试验结果中，我们可以看到支汊的主槽水动力轴线摆动比主汊还要剧烈，这说明河床断面的冲刷更多是受流速的大小控制，相比与定床边界，动床相对松散的泥沙边界与水流的相互调整适应性更强。随着向下游发展，主汊主槽泥沙的淤积与岸坡的侵蚀作用在逐渐减弱，CS13断面可以看到，此断面处主汊的主槽泥沙淤积量与岸坡侵蚀量已经基本相当。

CS15—CS18为汇流段到下游单一复式断面段，由于过流断面的束窄及折冲水流的冲击作用，汇流段(CS15—CS16)主汊右侧边滩冲刷严重，整个河槽的主流方向偏向右侧，加上支汊主槽流速较小，支汊左边滩侵蚀量小于主汊右边滩。下游单一复式段主槽两侧岸滩冲刷基本对称，冲刷稳定后主槽的最低点高程及断面面积与天然河道基本相当，说明此段过流面积变化不大，在水流的作用下河段的过流断面形状敞口加大，岸坡变缓。

4 结论

(1)在不同流量下，主槽垂线平均流速分布的高值区、低值区范围基本一致。偏转水流受洲头的影响在其内侧产生高值区，江心洲洲头的阻水、支汊边滩较窄及边壁对水流的阻碍等因素产生两大低值区。

(2)在一定的淹没范围内，江心洲对整个河道的流速分布依然存在较大影响。洲头对上游主槽水流较大的阻碍作用，导致此处水流紊乱，产生的波状水流在江心洲的洲面创造出流速高值区。

(3)与主槽水动力轴线相比，支汊主槽水流受窄边滩、窄主槽的影响，水动力轴线摆动幅度较大。一定的边滩宽度及滩面水深能使主槽与滩面水流动量交换更加充分，水流的流速分布更加均匀，水动力轴线的摆动幅度减小。

(4)江心洲的稳定性更多取决于其洲头的稳定性，在抗冲洲头的保护下，江心洲整体形态基本不变，洲面发生较小冲刷。上游主槽、沿程岸坡均发生冲刷侵蚀，分流段主汊的主槽泥沙淤积较为严重，淤积的泥沙使得主汊主流偏向河道中心，对江心洲岸坡产生冲刷。

(5)河床在水流冲刷作用下不断调整形态适应水流，最终达到平衡状态。断面形态的调整主要表现为主槽淤积、岸坡侵蚀及坡度变缓、过流断面的敞口加大。