四岛型群汊河道二次流特性研究

纪 伟

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014；2.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098）

对天然河道的水流运动特性开展研究，可为河道整治、河道泥沙输运预测、取水建筑物设计、污染物混合运移预测等提供科学依据。顺直、弯曲、单岛双汊型、四岛型群汊等各种典型天然河道的二次流与水流运动各有特点，目前文献中对顺直、弯曲、单岛双汊型河道的水流运动特性研究较为常见，而作为典型天然河道之一的四岛型群汊河道的二次流与水流运动特性却少有研究见诸文献。

关于顺直河道、弯曲河道、单岛双汊型河道二次流和水流运动的研究均有较多的文献报道。对于顺直河道水流的相关研究，例如：基于LDA 的测量数据，Nezu 等［1-2］注意到当宽深比大约小于5 时，明渠中心线上最大流速发生在自由表面以下。Shiono 和Knight［3］对顺直明渠紊流中三维流速分布进行数值模拟研究，该数值模拟结果可用来重现垂向平均流速沿横向的分布。对于弯曲河道水流特性的相关研究，刘月琴和万艳春［4］根据试验数据，分析弯道水流的紊动特性，得出弯道水流纵向相对紊动强度的数学表达式，对弯道水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行比较。为研究连续弯道中的水流运动，特别是过渡段水流问题，吴华莉等［5］对正弦派生曲线、梯形断面的连续弯曲河道开展物理模型试验，发现弯顶中垂线水流横向环流随流量、水深的增大而增大。Blanckaert 等［6］为研究弯道中二次环流的规律推导出一个非线性数学模型，它能再现下游流速垂向分布和二次环流随曲率增大而衰减的过程。对于单岛双汊型河道水流特性的相关研究，童朝锋［7］进行分汊角为30° 的分汊口三维水流特性试验研究，对表层和底层平面流场的差异性进行分析，同时发现主河道和支汊在横断面上存在两个方向相反的环流。吴迪等［8］通过试验研究复式断面Y 形交汇河道的水流特性，根据试验结果分析，水流漫滩后，水深变化较大的地方位于滩槽交界面附近，且水面出现大小不一的旋涡。

4 个分汊岛的存在，使得四岛型群汊河道被分汊岛分割成两级形态各异的多股汊道，其二次流与水流运动特性比顺直、弯曲、单岛双汊型河道更为复杂。然而目前对于四岛型群汊河道二次流特性还缺乏系统研究，本文通过四岛型群汊河道的物理模型试验系统，得到各汊道中关键断面的三维水动力参数，并从二次流分布特征、二次流强度两个方面进行分析讨论，来揭示四岛型群汊河道的二次流特性。

1 物理模型试验装置与工况

为便于研究，对天然四岛型群汊河道分汊岛的形态进行概化，对四岛型群汊河段开展物理模型试验研究。模型试验安排在一个特制的水槽中进行, 水槽全长25 m,可进行±1°变坡。除了水槽中间段，其余部分保持为宽0.5 m、高0.6 m 的直槽。试验测量段由主河道、群汊段两部分组成。各汊道的横断面均为矩形，主支汊的纵坡均为0.2%。四岛型群汊河道的物理模型试验系统的平面布置如图1。

图1 四岛型群汊河道物理模型试验系统的平面布置示意图

试验中, 水槽流量由进口阀门、电磁流量计及量水堰共同控制, 平水头水箱处于一定高度以保证水头恒定。四岛型群汊河道被4 个分汊岛M1,M2,M3和M4 分割为10 条汊道（B1～B10），分汊点为P1,P2,P3,P4。

为详细掌握群汊河道二次流特性，在四岛型群汊河道中分别布置26 个测量断面（S1～S26），图2 为四岛型群汊河道的试验测量断面布置图。试验中各横断面的垂线量测条数根据汊道宽度而有所变化,每条垂线上设置7 个垂向测点, 间隔为2 cm。河道水深H0 固定为14.5 cm, 并选取2 种不同的上游来流量，即工况1:9.6 L/s、工况2:4.8 L/s。

图2 试验测量断面布置图

试验采用美国SonTek 公司进口的16 MHz 声学多普勒流速计Micro ADV 测量水流的水动力参数。Micro ADV 在每个测点以25 Hz 频率采样45 s, 每点共有1125 个瞬时数据。

2 四岛型群汊河道二次流分布特征分析

四岛型群汊河道的二次流分布非常复杂，每个汊道的断面二次流方向均不同，有些断面存在环流，而有些断面二次流杂乱，不存在环流，与顺直河道、弯曲河道、单岛双汊型河道之间均存在较大差异。

两种工况的断面二次流分布如图3。汊道B1 位于分汊岛M2 与左岸之间，汊道B1 有一个向左的偏转角，使得断面S7 的平面流速矢量向左偏，所以断面右半部分二次流从右向左流动。断面左半部分平面流速矢量非常小，形成回流区，因此出现一个顺时针环流。位于分汊岛M1 与M2 之间的汊道B2 略向左偏转，从而汊道B2 中的平面流速矢量向左偏，造成断面S8 的二次流从右向左流动。

图3 四岛型群汊河道的断面二次流分布

汊道B7 位于分汊岛M4 与左岸之间，进入汊道B7 的平面水流向左偏转，中层和底层向左偏转的角度较大，表层较小，所以断面S18 中层和底层的二次流从右向左流动，表层的二次流很小且从左向右流动，在断面中层与表层之间形成一个顺时针环流。由于位于分汊岛M3 与M4 之间的汊道B8 断面逐渐缩小，迫使平面流速矢量向中心集聚，造成断面S19 的右半部分二次流从右向左流动，左半部分二次流从左向右流动，且在中间区域形成一个逆时针环流。

3 四岛型群汊河道二次流强度分析

二次流强度表示为横向流速与纵向流速的比值，用以描述各汊道的二次流强度差异。以全断面的横向流速与纵向流速之比来衡量二次流强度：

式中n 是断面内布置的测点数。

四岛型群汊河道在工况1 和工况2 条件下，断面二次流强度分布区间如表1，四岛型群汊河道各汊道断面二次流强度值如表2。四岛型群汊河道的各测量断面中S2、S4、S6、S7、S13、S16、S17 的二次流强度最大，断面S5、S8、S19 的二次流强度最小，断面S7、S10、S13 由于位于死水区二次流强度为零。断面S3、S15、S20 的二次流强度介于0.2 和0.4 之间，断面S11、S12、S21、S22、S23、S24 的二次流强度介于0.1和0.2 之间。

表1 断面二次流强度分布区间

表2 各汊道的断面二次流强度

对于四岛型群汊河道的各汊道断面二次流强度值，在工况1 和工况2 条件下，汊道B2 二次流强度都是沿程增大。汊道B7 的断面S15、B8 的断面S16都是支汊交汇处断面，所以二次流强度较大，而汊道B9 二次流强度沿程减小。

4 结语

（1）通过分析四岛型群汊河道不同汊道内二次流的分布特征，发现四岛型群汊河道的二次流分布与弯曲河道、单个岛的双汊河道明显不同。四岛型群汊河道的二次流方向和大小由分汊岛之间的位置关系与进入汊道水流的平面流速分布共同决定。

（2）通过对四岛型群汊河道的各汊道断面二次流强度的分析可知，二次流强度较大的区域集中在汇流区、分流区及汊道曲率变化较大处。