分汊河道近底水流特性試驗研究

張 婕, 王平義*, 胡杰龍, 王梅力

(1.重慶交通大學， 水利水運工程教育部重點實驗室， 重慶 400074； 2.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心， 重慶 400074; 3.重慶交通大學建筑與城市規劃學院， 重慶 400074)

水力特性特別是流速特性對分汊型河道的泥沙起動、灘槽沖淤、分流分沙比、整治建筑物局部沖刷等均有較大影響，其中近底水流起直接作用。分汊河道作為一種重要的河流形態,在長江中游廣泛存在，水流特性是研究分汊河道河床演變、整治工程等的重點。王云飛[1]、許海勇[2]、肖慶華等[3]相繼開展了二維水沙數值模擬，得到長江中下游分汊河道水流運動特性等研究成果，其中不同流量下不同區域內斷面平均流速分布特征以及變化規律是研究的重點。劉晶等[4]、常宏興等[5]利用三維數學模型，探討分析了分汊河段水流結構的三維特性，結果表明表層和底層流場存在較大的差異，主要體現在水流彎曲曲率以及分流寬度上。物理模型試驗也是研究分汊河道水流特性的重要手段，李仟等[6]、顧莉等[7-8]、鄒驥等[9]對長江中下游不同河段開展了相應的試驗研究，分析了不同洲灘形態、來流量、汊道寬度比等因素下的水流結構特性及紊動強度，研究成果主要包括斷面平均流速以及紊動能分布規律，彎曲分汊河道流場存在明顯的環流特征，環流強度主要受江心洲位置的影響。上述的研究采取不同的研究方法，對長江中下游分汊河段水流特性與紊流結構進行了較為充分的研究，但在分析流速分布等問題時均以垂線平均流速為研究對象，沒有考慮近底流速分布規律及其對洲灘沖淤的影響。

近年來，采樣測量分析等技術飛速發展，越來越多的研究者將目光聚焦近底水流結構，通過模型試驗、理論分析、數值模擬等手段，對泥沙起動[10-13]、河床變形[14-17]、局部沖刷[18-19]等問題進行了研究。袁俊[16]通過多組水槽試驗，利用數理統計、平穩隨機過程理論等方法對近底流速進行了統計分析，發現近底流速屬于低頻域信號，其振幅符合正態分布，圓頻率及相位角符合均勻分布。趙亞飛等[20]通過對比矩形水槽橫向測點的流速結構差異，分析了近底流速分布的變化特點與近壁兩側的流速結構變異，結果顯示近底流速的相對脈動強度呈現中間區域最大并向兩側遞減的趨勢，在臨近側壁處有突變波動現象。袁俊[16]、趙亞飛等[20]的研究模擬的河道斷面多為矩形，在近底水流流速分布、紊動結構等問題上取得了較大的進展。然而天然河道斷面并不是規則的矩形，特別是洲灘的存在，使得實際斷面的水流特性與矩形斷面水流特性存在較大的差異。弄清天然分汊河道近底水流特性對研究洲灘沖淤、整治建筑物穩定性起著重要的作用。基于此，在收集長江中游洲灘原型資料的基礎上，通過建立物理概化模型試驗，探究近底流速分布規律以及近底水流脈動特性。

1 概化試驗

1.1 試驗設計

長江中下游存在大量的分汊河道，而其中大部分按照錢寧[21]和余文濤[22]的分類方法和標準可將其定義為順直分汊河道。夏禹[23]對長江中下游順直分汊河道形態尺寸進行了歸納。本次試驗在夏禹收集的順直分汊河道武漢天興洲段原型資料的基礎上設計了概化模型，表1為尺寸參數。

表1 概化模型尺寸

幾何比尺和流速比尺公式為

(1)

式(1)中：λL為長度比尺；λH為水深比尺；λV為流速比尺。

三峽水庫建成后長江中下游徑流過程發生了較大的變化，在前期工作中，收集了武漢水文站2003—2015年的日徑流資料，利用數理統計方法和隨機理論對武漢站日徑流序列進行了隨機模擬[24]。本次試驗考慮極大洪峰下的徑流過程，對其進行臺階化處理,流量過程如圖1所示。模型試驗在重慶交通大學河海學院試驗基地進行，試驗水槽長 30 m，寬3 m，模型河底坡降取0.1‰。試驗段共布置13個橫向斷面，每個斷面上設置14個測點(由右壁至左依次標記為H1～H14)，相鄰測點間相距 20 cm，概化模型及測點布置如圖2所示。

圖1 日徑流模擬序列Fig.1 Daily runoff simulation series

采用長時跟蹤法，采集全流量過程流速及水位數據。模型試驗水槽進口流量由矩形薄壁堰控制，尾門由翻板門結合小水閥控制。流速測點布置在離底面1 cm的深度，采用重慶交通大學自行研制的旋漿流速(譜)采集系統進行測量。該系統由軟件、數據采集卡、傳感器、放大器、旋漿等構件組成。流速數據采集系統為瞬變流速長時跟蹤采集系統，由重慶交通大學河海學院自行研制，采樣頻率設定為3 000次/s。水位測量采用同步自動測量系統，由西南水運科學研究所研發，采樣頻率為1次/s，系統利用超聲測距原理，結合先進的傳感技術和電子技術，同步采集、記錄不同測點的水位數據。

W1～W13為橫向斷面圖2 概化模型及測點布置Fig.2 Generalized model and layout of measuring points

1.2 試驗數據預處理

在流速信號的采集、量化、傳輸過程中，由于測量環境、人為因素、元件系統等噪聲的干擾，使測量數據或多或少地受到污染。在分析研究前，應當對采集到的數據進行預處理以盡可能地消除噪聲。常見的方法有3σ準則法、多項式逼近法、小波去噪法等。采用3σ準則法對采集到的數據進行預處理。

2 結果分析

任一方向的瞬時流速可以表示為

(2)

表2 分級流量

2.1 近底水流時均流速分布特性

近底水流受紊流渦團的強烈影響，床面附近水流運動十分復雜。測試斷面不同流量近底時均流速沿橫向分布如圖3所示。

圖3(a)為分流區近底時均流速沿橫向分布，其中斷面W1距離灘頭150 cm，斷面W2距離灘頭 50 cm，斷面W3為灘頭與槽底相接處。從圖3(a)中可以看到，離灘頭較遠的斷面近底時均流速沿橫向分布比較均勻，近底水流受灘體分流作用影響較小。斷面W3位于灘頭與平底交界處，受江心洲分流作用影響大，河槽中部流速減小，兩條支流(左右汊)流速增加明顯，流向分別偏向左右兩側，形成中間小兩邊大的流速分布規律。分布選取位于逆坡段、灘頂段以及順坡段3個斷面，對其近底時均流速分布進行分析，如圖3(b)所示。從圖3(b)中可以看出，順坡段位于江心洲下半段，沿主流方向灘面高程逐漸降低，流速分布表現為中間低兩邊高的特點；灘頂段高程不變，來流量較小或一般時，除灘槽交界處的個別點存在突變外，近底時均流速大小沿橫向基本一致；當來流量比較大時，流速在橫向分布上的波動性增強，但總體上仍保持在一個較窄的區間內。逆坡段位于江心洲的上半段，沿主流方向灘面逐漸抬高，在大流量下，近底時均流速沿橫向表現為中間略高的特點，與順坡段流速的分布有明顯的差異，其他流量條件下流速沿橫向呈較為均勻的分布。

圖3 不同流量下近底時均流速橫向分布Fig.3 Transverse distribution of time-averaged velocities under different flows

圖4 近底時均流速沿縱向分布Fig.4 Longitudinal distribution of time-averaged velocities

而沿水流方向，灘面高程呈先增大再不變后減小的變化過程，近底時均流速沿縱向分布如圖4所示。對于灘面范圍內的斷面而言，由于灘體高程的逐漸抬高，近底時均流速隨之增大；到達灘頂段后，流速雖有波動但總體變化不大；在灘體下半段，高程逐漸降低，流速迅速下降。對于左右汊而言，沿水流方向底部高程基本保持不變，近底時均流速變化相對較小，但受汊道進口斷面收縮以及出口斷面放大的影響，進出口的流速出現了一定幅度的起落。

2.2 近底時均流速隨水深變化規律

圖5 流速隨水深變化曲線Fig.5 Flow velocity curve with water depth

從時均流速在橫向與縱向上的分布可以看到，近底流速受地形的影響較大。特別是在江心洲范圍內，地形起伏較大，測點以上至水面的水深隨之變化，進而影響近底時均流速。選取流量150 L/s下的橫斷面W7以及縱斷面H6，分別研究近底時均流速與水深的關系，如圖5所示。從圖5中可以看到，近底時均流速與水深是呈負相關的。受地形起伏的影響，流速測點以上至水面的水深變化較大，在橫向上深槽內水深最大，經灘槽交界區至灘面水深逐漸減小，灘頂處水深最淺。在縱向上水流依次經過底部逐漸抬高的逆坡段、灘頂段，以及底部逐漸降低的順坡段。試驗中近底流速這種異于平底河床流速的分布特性正是由于河床面坡度變化造成的。當水流由河床低處向高處流動時,表現為單寬過水面積的逐漸減少,使水流受到來自河床面的收縮擠壓而產生的束狹作用,并促使中、底層水流流速急劇增大。王偉[25]指出，這種來自河床面坡度變化所產生的束狹作用是由河底向上逐漸減少的，從而導致流速的增大也是自下而上遞減的，即束狹作用對底層流速影響最大。

2.3 近底水流脈動特性

2.3.1 近底水流脈動強度隨來流量變化特性

圖6 近底水流相對脈動強度變化曲線Fig.6 Variation curve of relative fluctuation intensity

2.3.2 近底水流脈動強度分布

分析可知，洲灘高程起伏對近底流速影響較大。為了解灘槽不同位置處近底水流紊動強度，對實測流速數據進行整理，得到不同流量下近底各測點處的相對脈動強度，其沿不同橫斷面分布如圖7所示。

分流區測點斷面W1沿橫向各測點高程相同，且距離灘頭位置較遠，近底水流相對脈動強度除在個別測點有所波動外，整體沿橫向分布較為均勻。進入汊道段后，江心洲的存在使得地形起伏較大，斷面W7位于江心洲上部，灘面區(距右壁104～184 cm范圍內)水深小而流速大，深槽區(距右壁24～64 cm及224～264 cm范圍內)水深大而流速小，因此灘面及深槽區近底水流的相對脈動強度相對較小，唯有在灘槽交界處(距右壁84 cm及 204 cm)水流流體復雜，紊動增強，相對脈動強度出現明顯的突變。測點斷面W9位于灘頂區域內，小流量下灘面范圍的水深極淺，導致水流紊動強烈，而在深槽區水深相對較大，水流也較為平穩，在大流量下由于整體相對脈動強度均不大，因此這種變化特征表現地并不明顯。

圖7 不同流量下近底水流相對脈動強度分布Fig.7 Distribution of relative pulsation intensity under different flows

2.3.3 近底水流脈動能

圖8 汊道段近底脈動能變化曲線Fig.8 Bottom pulsation energy variation curve

近底水流屬于紊流，由無數大小不一的渦流組成，具有較強的動能，對泥沙運動以及床面變形起著重要的作用。長江干線12月至翌年3月為枯水期，流量較小，自4月份開始來流量上漲，水位逐漸抬高，6—9月一般為洪水期，流量達到最大。10月份之后，流量逐漸減小，水位回落。圖8顯示了漲水過程中近底水流脈動能隨流量變化特性。分流區地形平整，水流較為平穩。枯水期來流量小，流速緩慢，近底水流的脈動能不大，雖然隨著流量的增長脈動能有所上漲，但增幅較小。自進入中水期開始，隨著來流量逐漸增加，近底水流脈動能顯著增大，到洪水期脈動能達到最大。汊道段近底水流脈動能整體上同樣呈上漲趨勢，不同于分流區的是在枯水期近底水流脈動能上漲幅度更大，這是江心洲對河道束窄作用導致的。江心洲的存在使得河道寬度減小，即使在枯水期，流量上漲引起的流速變化更為劇烈，水流脈動能也隨之快速增強。從整個漲水過程來看，洪水期近底水流脈動能最大，中水期次之，枯水期最小。

3 結論

(1)由于江心洲的存在，分汊河道河床高程起伏明顯，這對近底水流流速有較大的影響，具體表現為河床面高的地方水深較淺，水流受河床壓縮作用導致流速增大，這一特征在汊道區近底水流時均流速沿橫向縱向的分布上均有所體現。分流區河床平整，離灘頭較遠處的測點斷面流速沿橫向分布均勻；而在灘頭與平底河床交接處的近底時均流速受水流分流作用明顯，沿橫向呈兩邊大中間小的分布規律。

(2)相對脈動強度一定程度上可以反映近底水流的紊動強弱。隨著來流量的增大，不同區域內的近底水流脈動強度變化規律并不相同。在分流區內，隨著流量的增大近底水流相對脈動強度急劇減小，其中枯水期漲水以及行洪過程中相對脈動強度變化幅度較大，而在中水期相對脈動強度的變化則較為緩慢。在汊道區內，枯、中水期近底水流的相對脈動強度雖有波動但幅度較小，在洪水流量下相對脈動強度大幅下降，明顯小于中小流量。

(3)受近底時均流速與水深的影響，不同區域內的相對脈動強度沿橫向分布也不盡相同。具體表現為：分流區分布均勻，汊道區逆坡段灘槽交界處水流脈動較其他位置大；汊道區灘頂段灘面處水流脈動最強。

(4) 近底水流的脈動能對泥沙運動以及床面變形起著重要的作用。在整個試驗測量區域內，近底水流的脈動能均隨來流量的增大而增大，不同的是在枯水期分流區內測點的脈動能增長速度較慢，而汊道區內測點的脈動能增長速度明顯更快。

此外，本次試驗沒有考慮主支汊寬度比的變化對近底水流的影響，而事實上江心洲位置時常左右擺動，后續將進行更加深入的研究。