水流蜿蜒彎曲流動(dòng)平面形態(tài)特征要素變化規(guī)律研究

祝志豪 林日冰 梁舒婷 曾海燕 佘家俊 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1.前言

大量興建的水利工程滿足了人們對(duì)于供水、防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、漁業(yè)及旅游業(yè)等需求，但人類對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫，導(dǎo)致河流結(jié)構(gòu)改變，服務(wù)功能下降，河流形態(tài)發(fā)生改變。河流生態(tài)修復(fù)問題引起廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者及機(jī)構(gòu)開展了大量的相關(guān)理論研究與實(shí)踐工作。保持河流形態(tài)的穩(wěn)定,對(duì)河流生態(tài)修復(fù)工作無(wú)疑是有利的，因此，對(duì)河流的形態(tài)研究有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。但對(duì)于河流什么時(shí)候開始彎曲，彎曲后呈現(xiàn)的平面形態(tài)特征如何，卻一直缺乏相關(guān)的全面深度分析和量化的指標(biāo)數(shù)據(jù)。因此，為探討水流蜿蜒彎曲流動(dòng)平面形態(tài)特征要素變化規(guī)律，開展了本次試驗(yàn)研究工作。

2.試驗(yàn)組織與開展

2.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)使用的設(shè)備為一臺(tái)可任意變換坡度的鋼化玻璃面板，長(zhǎng)2m，寬1.5m。設(shè)備變換坡度的范圍為0～90°。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

為探索水流蜿蜒彎曲平面形態(tài)的變化規(guī)律，試驗(yàn)中選擇水流最大彎曲點(diǎn)、水流擺幅角、水流擺動(dòng)率、水流長(zhǎng)寬比彎曲度、水流最大擺幅角與水流的出流流量、坡度的相關(guān)變化關(guān)系和規(guī)律進(jìn)行了研究。

2.3 試驗(yàn)成果及分析

2.3.1 各特征要素與坡度相關(guān)性

試驗(yàn)中的坡度分為18°、28°、48°三級(jí)坡度。

①水流最大彎曲點(diǎn)與坡度相關(guān)性。水流最大彎曲點(diǎn)為水流流動(dòng)形成的平面蜿蜒彎曲形態(tài)中起點(diǎn)與最大一個(gè)彎曲點(diǎn)的位置距離。探討水流最大彎曲點(diǎn)與坡度的相關(guān)關(guān)系時(shí)，水流最大彎曲點(diǎn)在三級(jí)坡度試驗(yàn)中的次數(shù)分別為181次、184次、182次，試驗(yàn)結(jié)果見表1及圖1。由表1及圖1可見，水流最大彎曲點(diǎn)與坡度相關(guān)關(guān)系良好，呈較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。也就是說，坡度增加時(shí)，水流最大彎曲點(diǎn)均值會(huì)相應(yīng)地減少，而坡度減少時(shí)，水流最大彎曲點(diǎn)均值則會(huì)相應(yīng)地增加。在水流最大彎曲點(diǎn)與坡度相關(guān)關(guān)系規(guī)律曲線中，第一段即坡度由18°變化為28°的相關(guān)關(guān)系線在整段關(guān)系線中相對(duì)較平緩，水流最大彎曲點(diǎn)隨坡度變化較緩慢，相關(guān)關(guān)系式經(jīng)擬合確定為y=-0.125x+51.19。而在第二段的坡度由28°變化為48°的關(guān)系線中，相對(duì)較陡峻，水流最大彎曲點(diǎn)隨坡度變化較快，相關(guān)關(guān)系式經(jīng)擬合確定為y=-0.211x+53.60。

表1 三級(jí)坡度下水流最大彎曲點(diǎn)

圖1 水流最大彎曲點(diǎn)與坡度變化關(guān)系曲線

②水流擺幅角與坡度相關(guān)性。水流擺幅角為水流直線向下流動(dòng)線和水流運(yùn)動(dòng)軌跡的起點(diǎn)與終點(diǎn)連線之間的擺動(dòng)角度。探討水流擺幅角與坡度的相關(guān)關(guān)系時(shí)，水流擺幅角在三級(jí)坡度試驗(yàn)中的次數(shù)分別為181次、184次、182次，試驗(yàn)結(jié)果見表2及圖2。由圖2可見，水流擺幅角與坡度相關(guān)規(guī)律線相關(guān)性不佳，水流擺幅角并未隨坡度的增減作單一方向的增減變化，顯示水流擺幅角與坡度并無(wú)直接相關(guān)性。

圖2 水流擺幅角與坡度變化關(guān)系曲線

表2 三級(jí)坡度下水流擺幅角

③水流擺動(dòng)率與坡度相關(guān)性。水流擺動(dòng)率是水流運(yùn)動(dòng)軌跡終點(diǎn)相對(duì)水流直線向下流動(dòng)終點(diǎn)的擺動(dòng)距離與水流寬度的比值。

水流擺動(dòng)率在三級(jí)坡度試驗(yàn)中的次數(shù)分別為181次、184次、182次，試驗(yàn)結(jié)果見表3及圖3。由表3及圖3可見，水流擺動(dòng)率與坡度相關(guān)關(guān)系良好，在所有水流蜿蜒彎曲流動(dòng)平面形態(tài)特征要素與坡度關(guān)系中最近似呈直線相關(guān)關(guān)系。水流擺動(dòng)率與坡度呈良好的正相關(guān)關(guān)系，也就是說，坡度增加時(shí)，水流擺動(dòng)率均值也會(huì)相應(yīng)地增加，而坡度減少時(shí)，水流擺動(dòng)率均值也會(huì)相應(yīng)減少。在水流擺動(dòng)率與坡度相關(guān)關(guān)系規(guī)律曲線中，第一段即坡度由18°變化為28°的相關(guān)關(guān)系線在整段關(guān)系線中相對(duì)較陡峭，斜率較大，水流擺動(dòng)率隨坡度變化較快，相關(guān)關(guān)系式經(jīng)擬合確定為y=0.196x+3.56。而在第二段的坡度由28°變化為48°的關(guān)系線中，相對(duì)較平緩，斜率較小，水流擺動(dòng)率隨坡度變化較緩慢，相關(guān)關(guān)系式經(jīng)擬合確定為y=0.173x+4.20。

表3 三級(jí)坡度下水流擺動(dòng)率

④水流長(zhǎng)寬比彎曲度與坡度相關(guān)性。水流長(zhǎng)寬比彎曲度是水流流長(zhǎng)與該水流寬度的比值。

探討水流長(zhǎng)寬比彎曲度與坡度的相關(guān)關(guān)系時(shí)，水流長(zhǎng)寬比彎曲度在三級(jí)坡度試驗(yàn)中的次數(shù)分別為181次、184次、182次，試驗(yàn)結(jié)果見表4及圖4。由表4及圖4可見，水流長(zhǎng)寬比彎曲度與坡度相關(guān)關(guān)系良好，呈較好的正相關(guān)關(guān)系。也就是說，坡度增加時(shí)，水流長(zhǎng)寬比彎曲度均值會(huì)相應(yīng)增加，而坡度減少時(shí)，水流長(zhǎng)寬比彎曲度均值則會(huì)相應(yīng)減少。在水流長(zhǎng)寬比彎曲度與坡度相關(guān)關(guān)系規(guī)律曲線中，第一段即坡度由18°變化為28°的相關(guān)關(guān)系線在整段關(guān)系線中相對(duì)較陡峻，斜率較大，水流長(zhǎng)寬比彎曲度隨坡度變化較較快，相關(guān)關(guān)系式經(jīng)擬合確定為y=2.009x+140.87。而在第二段的坡度由28°變化為48°的關(guān)系線中，相對(duì)較平緩，斜率較小，水流長(zhǎng)寬比彎曲度隨坡度變化較緩慢，相關(guān)關(guān)系式經(jīng)擬合確定為y=0.896x+172.04。

表4 三級(jí)坡度下水流長(zhǎng)寬比彎曲度

圖4 水流長(zhǎng)寬比彎曲度與坡度變化關(guān)系曲線

⑤水流最大擺幅角與坡度相關(guān)性。水流最大擺幅角是水流直線向下流動(dòng)線與水流起點(diǎn)和水流最大一個(gè)擺動(dòng)幅度點(diǎn)位置連線的夾角。

探討水流最大擺幅角與坡度的相關(guān)關(guān)系時(shí)，水流最大擺幅角在三級(jí)坡度試驗(yàn)中的次數(shù)分別為181次、184次、182次，試驗(yàn)結(jié)果見表5及圖5。由表5及圖5可見，水流最大擺幅角與坡度相關(guān)關(guān)系良好，呈較好的正相關(guān)關(guān)系。也就是說，坡度增加時(shí)，水流最大擺幅角均值會(huì)相應(yīng)增加，而坡度減少時(shí)，水流最大擺幅角均值則會(huì)相應(yīng)減少。在水流最大擺幅角與坡度相關(guān)關(guān)系規(guī)律曲線中，第一段即坡度由18°變化為28°的相關(guān)關(guān)系線在整段關(guān)系線中相對(duì)較陡峻，斜率較大，水流最大擺幅角隨坡度變化較較快，相關(guān)關(guān)系式經(jīng)擬合確定為y=0.129x+12.62。而在第二段的坡度由28°變化為48°的關(guān)系線中，相對(duì)較平緩，斜率較小，水流最大擺幅角隨坡度變化較緩慢，相關(guān)關(guān)系式為y=0.033x+15.32。

表5 三級(jí)坡度下水流最大擺幅角

圖5 水流最大擺幅角與坡度變化關(guān)系曲線

2.3.2 各特征要素與水流的出流流量相關(guān)性

試驗(yàn)中的水流的出流流量分為0.32ml/s、0.49ml/s、0.63ml/s 三級(jí)出流流量。

①水流最大彎曲點(diǎn)與水流的出流流量相關(guān)性。探討水流最大彎曲點(diǎn)與水流的出流流量的相關(guān)關(guān)系時(shí)，水流最大彎曲點(diǎn)在三級(jí)水流的出流流量試驗(yàn)中的次數(shù)分別為184次、182次、180次，試驗(yàn)結(jié)果見表6及圖6。由圖6可見，水流最大彎曲點(diǎn)與水流的出流流量相關(guān)規(guī)律線相關(guān)性不佳，水流最大彎曲點(diǎn)并未隨水流的出流流量的增減作單一方向的增減變化，顯示水流最大彎曲點(diǎn)與水流的出流流量并無(wú)直接相關(guān)性。

圖6 水流最大彎曲點(diǎn)隨水流的出流流量變化關(guān)系曲線

表6 三級(jí)水流的出流流量下最大彎曲點(diǎn)

②水流擺幅角與水流的出流流量相關(guān)性。探討水流擺幅角與水流的出流流量的相關(guān)關(guān)系時(shí)，水流擺幅角在三級(jí)水流的出流流量試驗(yàn)中的次數(shù)分別為184次、182次、180次，試驗(yàn)結(jié)果見表7及圖7。由圖7可見，水流擺幅角與水流的出流流量相關(guān)規(guī)律線相關(guān)性不佳，水流擺幅角并未隨水流的出流流量的增減作單一方向的增減變化，顯示水流擺幅角與水流的出流流量并無(wú)直接相關(guān)性。

表7 三級(jí)水流的出流流量下水流擺幅角

圖7 水流擺幅角隨水流的出流流量變化關(guān)系曲線

③水流擺動(dòng)率與水流的出流流量相關(guān)性。探討水流擺動(dòng)率與水流的出流流量的相關(guān)關(guān)系時(shí)，水流擺動(dòng)率在三級(jí)水流的出流流量試驗(yàn)中的次數(shù)分別為184次、182次、180 次，試驗(yàn)結(jié)果見表8及圖8。由表8及圖8可見，水流擺動(dòng)率與水流的出流流量相關(guān)關(guān)系一般，大致呈正相關(guān)關(guān)系。也就是說，水流的出流流量增加時(shí)，水流擺動(dòng)率均值會(huì)相應(yīng)增加，而水流的出流流量減少時(shí)，水流擺動(dòng)率均值則會(huì)相應(yīng)減少。在水流擺動(dòng)率與水流的出流流量相關(guān)關(guān)系規(guī)律曲線中，第一段即水流的出流流量由0.32 m l/s變化為0.49 m l/s的相關(guān)關(guān)系線在整段關(guān)系線中相對(duì)較平緩，斜率較小，水流擺動(dòng)率隨水流的出流流量變化較較緩慢，相關(guān)關(guān)系式經(jīng)擬合確定為y=0.326x+8.45。而在第二段的水流的出流流量由0.49ml/s變化為0.63ml/s的關(guān)系線中，相對(duì)較陡峻，斜率較大，水流擺動(dòng)率隨水流的出流流量變化較緩慢，相關(guān)關(guān)系式為y=16.114x+0.65。

表8 三級(jí)水流的出流流量下水流擺動(dòng)率

圖8 水流擺動(dòng)率隨水流的出流流量變化關(guān)系曲線

④水流長(zhǎng)寬比彎曲度與水流的出流流量相關(guān)性。探討水流長(zhǎng)寬比彎曲度與水流的出流流量的相關(guān)關(guān)系時(shí)，水流長(zhǎng)寬比彎曲度在三級(jí)水流的出流流量試驗(yàn)中的次數(shù)分別為184次、182次、180次，試驗(yàn)結(jié)果見表9及圖9。由表9及圖9可見，水流長(zhǎng)寬比彎曲度與水流的出流流量相關(guān)關(guān)系良好，呈較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。也就是說，水流的出流流量增加時(shí)，水流長(zhǎng)寬比彎曲度均值會(huì)相應(yīng)減少，而水流的出流流量減少時(shí)，水流長(zhǎng)寬比彎曲度均值則會(huì)相應(yīng)增加。在水流長(zhǎng)寬比彎曲度與水流的出流流量相關(guān)關(guān)系規(guī)律曲線中，第一段即水流的出流流量由0.32ml/s變化為0.49ml/s的相關(guān)關(guān)系線在整段關(guān)系線中相對(duì)較陡峻，斜率較大，水流長(zhǎng)寬比彎曲度隨水流的出流流量變化較快，相關(guān)關(guān)系式經(jīng)擬合確定為y=-30.106x+40.56。而在第二段的水流的出流流量由0.49ml/s變化為0.63ml/s的關(guān)系線中，相對(duì)較平緩，斜率較小，水流長(zhǎng)寬比彎曲度隨水流的出流流量變化較緩慢，相關(guān)關(guān)系式為y=-27.643x+39.35。

表9 三級(jí)水流的出流流量下水流長(zhǎng)寬比彎曲度

圖9 水流長(zhǎng)寬比彎曲度隨水流的出流流量變化關(guān)系曲線

⑤水流最大擺幅角與水流的出流流量相關(guān)性。探討水流最大擺幅角與水流的出流流量的相關(guān)關(guān)系時(shí)，水流最大擺幅角在三級(jí)水流的出流流量試驗(yàn)中的次數(shù)分別為184次、182次、180次，試驗(yàn)結(jié)果見表10及圖10。由圖10可見，水流最大擺幅角與水流的出流流量相關(guān)規(guī)律線相關(guān)性不佳，水流最大擺幅角并未隨水流的出流流量的增減作單一方向的增減變化，顯示水流最大擺幅角與水流的出流流量并無(wú)直接相關(guān)性。

表10 三級(jí)水流的出流流量下水流最大擺幅角

圖10 水流最大擺幅角隨水流的出流流量變化關(guān)系曲線

3.結(jié)論

本次不同坡度、流量條件下的水流蜿蜒彎曲流動(dòng)平面形態(tài)特征要素變化規(guī)律試驗(yàn)，探討研究了水流最大彎曲點(diǎn)、水流擺幅角、水流擺動(dòng)率、水流長(zhǎng)寬比彎曲度、水流最大擺幅角等特征要素與水流的出流流量、坡度的相關(guān)關(guān)系和影響規(guī)律。

試驗(yàn)成果表明：

（1）各平面形態(tài)特征要素中，水流最大起彎點(diǎn)、水流擺動(dòng)率、水流長(zhǎng)寬比彎曲度、水流最大擺幅率與坡度相關(guān)關(guān)系良好，水流擺幅角與坡度相關(guān)關(guān)系不佳。其中水流擺動(dòng)率與坡度相關(guān)關(guān)系最佳，最為接近直線相關(guān)。水流擺動(dòng)率、水流長(zhǎng)寬比彎曲度、水流最大擺幅率與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，而水流最大起彎點(diǎn)則與坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）各平面形態(tài)特征要素中，水流長(zhǎng)寬比彎曲度與水流的出流流量相關(guān)關(guān)系良好，水流擺動(dòng)率與水流的出流流量相關(guān)關(guān)系一般，水流最大起彎點(diǎn)、水流擺幅角、水流最大擺幅角與水流的出流流量相關(guān)關(guān)系不佳。其中水流長(zhǎng)寬比彎曲度與水流的出流流量相關(guān)關(guān)系最佳，最為接近直線相關(guān)。水流擺動(dòng)率與水流的出流流量呈正相關(guān)關(guān)系，而水流長(zhǎng)寬比彎曲度則與水流的出流流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（3）相對(duì)于水流的出流流量，坡度與水流各平面形態(tài)特征要素的相關(guān)性更好，關(guān)系更為緊密密切。