不同分汊比下分汊河道水流規律試驗研究*

趙聰聰，王平義 ，王梅力，陳雅飛

(1.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；2.重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400074)

在天然河道里，灘體的位置并不是固定的，即使同一個灘體也會隨著時間的推移或往岸邊或下游移動。灘體的移動和變化主要是水流的作用，流速的大小和分布是影響灘體變化的重要因素。分汊河道的水流運動最突出的特點就是分匯流，而河道的演變又與分流比、分沙比密切相關，因此水流規律是反映河道穩定性的重要參數，直接影響河道主支汊的演變過程。分汊河道的水力要素與河道演變之間是一種動態關系，河道演變依賴于水流提供的動力和泥沙補給，河道變形對水流運動又有一定的影響，兩者相互適應、相互調整，是流域自然條件下長期適應的結果。隨著長江上游梯級水庫的修建落成，打破了原有的水沙平衡，開展新水沙條件下的河道水流規律研究具有重要現實意義，通過掌握分汊河道的水流特性，因勢利導對其進行整治規劃，對航運、灌溉、防洪等工程具有指導意義。

國內外眾多學者對分汊河道的水流運動進行了深入研究。Bramely等[1]采用渦量-流函數模型，對分汊口的二維層流進行模擬，討論不同雷諾數和不同分汊寬度對汊道水流的影響；Ramamurthy等[2]建立直角雙汊明渠的三維紊流模型，利用試驗數據驗證三維模型，并得到三維流速分布圖，對分汊口水流進行研究；Shettar等[3]采用沿水深平均的k-ε(湍能-湍能耗散率)紊流模型，研究了明渠分汊水流的運動特性；Neary等[4]通過建立三維紊流模型來研究底床糙率變化對分汊水流結構的影響，并模擬直角分汊口區域的三維水流結構；余新明等[5]通過水槽試驗對分汊河道水流平面結構進行分析，并對底沙輸移演化特征進行探討；常宏興等[6]應用重整化群(renormalization group，RNG)紊流模型，采用兩種自由表面處理方法即剛蓋假定和流體體積函數(volume of fluid，VOF)法進行三維數值模擬，研究分汊河道不同分流比工況下的水流運動規律；童朝鋒等[7]推導出兩種汊道分流比的簡便計算方法，即等含沙量法和動量平衡法，并利用實測資料進行驗證；張紅等[8]以長江下游東流水道為研究對象，剖析近10年來汊道分流屬性及分流比調整的驅動機制；劉海強等[9]通過對矩形渠道直口渠分水口進行分流規律試驗，得到不同分流比下水面變化和分流比與相對堰上水頭、主渠上下游弗勞德數的關系及流向角與分流比的關系；陳立等[10]通過分析比較現有分流比計算公式對三峽水庫蓄水后的實測資料的適用性，引入綜合反映兩汊糙率、比降差異的因子，建立較高精度的分流比計算式，分析分流比的變化特點。在眾多學者研究基礎上發現，分汊河道的水流規律是研究其河道演變的重點內容，因此本文以常見的分汊河道為研究對象，著重分析其水流規律，為今后研究分汊河道泥沙運動、河道演變等提供理論依據。

1 試驗設計

試驗在重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心進行。矩形水槽長30 m、寬3 m，分為進水段、試驗段和出水段共3部分，試驗模型及測點布置見圖1。在試驗段布置17個橫斷面，每個斷面布置11個測點用來測量流速和水位等數據，橫斷面以1#～17#表示，縱斷面以Z1～Z11表示，試驗水槽進口流量由電磁流量計控制，水位由尾門控制。流速采用挪威Nortek科學儀器公司研制的高精度聲學多普勒測速儀測量。水位測量采用同步自動測量系統，采樣頻率為 1 次/s，每次采集60 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。

圖1 試驗模型及測點布置(單位：cm)

為了研究不同位置灘體的水流規律，采用不同分汊比來實現。根據李志威等[11]定義分汊比λ為灘體所在河道的支汊水面寬度B1與主汊水面寬度B2之比，則采用3種分汊比分別為0.90、0.67、0.43進行試驗。試驗以長江上游河段為研究區域，根據長江上游航行參考圖[12]，統計出典型灘體的形態尺寸，結合試驗水槽條件，設計灘體長度為510 cm，依次為灘頭段、順直段、灘尾段，長度分別為120、150、240 cm，高度為12 cm。本次試驗為恒定流概化模型試驗，采用3個流量、水深進行研究，分為未淹沒、恰淹沒以及完全淹沒3個狀態，具體工況見表1，每個分汊比均按這5個工況進行試驗。

表1 試驗工況

2 試驗分析

2.1 不同分汊比下的橫向流速分布規律

為了能較為全面地研究水流規律，本文從橫向流速、縱向流速以及分流比3個方面進行分析。

分析橫向流速時選取灘頭(4#斷面)、灘體順直段(9#斷面)、灘尾(14#斷面)3個特征斷面對不同工況、不同分汊比下的橫向流速進行對比分析。灘頭橫向流速分布見圖2。可以看出，流速從左岸至右岸有先減小后增加的趨勢，最小流速出現在灘體中軸線附近。在同一分汊比下，當流速較小時，斷面流速較平穩，沿河寬方向變化不大，隨著流速的增加，中軸線流速開始減小，各工況下減小的幅度略有不同，可以看到流量越大，水深越小，流速減小幅度越大。這是因為水流至分流點后，向左右兩個汊道分流，水流分散，加之灘體的阻礙作用，中間的流速變小，在灘體中軸線區域形成一個低流速區。在不同分汊比下，流速變化的現象又有不同，在分汊比0.90時，由于灘體大致處于河道中心，兩邊分得的流量大致相當，因此兩汊的流速基本相差不大。在分汊比0.67時，心灘的位置往左岸偏移，左汊變窄，左汊分得的流量比右汊少，因此左汊流速略微小于右汊流速，左右兩汊流速不對稱的現象在分汊比0.43時更明顯，并且由于該位置比較靠近邊壁，在邊壁效應和灘體阻礙的雙重影響下，左汊流速相比其他兩個分汊比會稍小一些，與右汊流速相比則小得多，在圖上反映為從左岸至右岸連續增加。該斷面流速的變化分流比起主要作用，隨著左汊逐漸變窄，分得的流量減少，流速有變小的趨勢，而右汊流速有增加的趨勢。

圖2 不同分汊比時4#斷面的橫向流速分布

9#斷面為灘體順直段，灘體最寬處即河道最窄處，斷面平均流速最大，橫向流速分布見圖3。由于設計3種水深，在未淹沒條件下灘面上的測點未能測到流速，因此圖像上存在斷點。最大流速一般出現在灘槽交界區，反映汊道主流線出現在灘體邊界深槽處，進入灘面略微減小，這是因為灘體有一定的坡度，上灘后水深變淺，坡降變大，流速下降且不穩定，這里流態最為復雜，水流上下波動極為紊亂。在灘體全淹沒狀態下，最大流速出現在灘體中軸線處，此時整個河道被水流貫通，灘體的分流作用減弱，心灘成為河底暗灘，流速分布比較符合“中間大兩邊小”的規律。在3種位置下，隨著左汊變窄，流速不斷增加，在分汊比0.43時，左汊流速最大，并且左汊的流速大于右汊的流速，左汊流速變化范圍大，最大漲幅超過15%，右汊流速相對平穩，說明較窄一側汊道流態更加紊亂。在該斷面引起流速變化起主要作用的是過水面積，在灘體順直段，支汊道越窄，過水面積越小，流速越大。

圖3 不同分汊比時9#斷面的橫向流速分布

14#斷面在灘尾處，灘體逐漸變矮，所占河道寬度變小；河道變寬，兩流逐漸交匯，橫向流速分布規律見圖4。可以看出，不同工況不同位置下的橫向流速分布規律是相似的，灘槽流速較為平穩，灘體中軸線流速最小，在灘尾也會形成一個低流速區。這是因為水流通過灘體達到匯流區時，兩汊水流經交匯碰撞相互融合后以相同的速度運動，可以認為是非彈性碰撞，動量守恒而動能損失，水流碰撞造成強烈紊動導致能量耗散，具體表現則是流速減小。最大流速一般出現在灘槽交界處，然后向兩岸逐漸穩定，說明主流線仍在灘體附近。流速沿橫向分布在大小上具有不對稱性，流速的不對稱性受分汊比的影響，分汊比越小即灘體越靠近岸邊，流速的不對稱性越明顯。究其原因是兩汊的水流運動狀態不同，可以追溯至分流點位置，自分流點至匯流區兩汊流量、汊道寬度不同，受灘體和邊壁的影響不同，導致左右兩汊流速不對稱。

圖4 不同分汊比時14#斷面的橫向流速分布

總體來看，各斷面的流速分布均受灘體的影響，靠近邊壁的灘體受自身和邊壁的雙重影響，灘體的位置對流速分布規律影響較小，對流速的量值變化影響較大。在分汊河段，分流區和匯流區都會形成一個低流速區，但形成的原因不同，前者為灘體的阻礙作用，后者為過流斷面變寬加之兩流匯合的能量耗散，使后者流速減小的程度大于前者。

2.2 不同分汊比時縱向流速分布規律

為研究灘體所在河段區域的縱向流速分布規律，采用固定流量改變水深的方法，即選取3個工況(工況2～4)對3個分汊比的縱向流速進行對比分析。以1#斷面為原點，左右汊都取灘槽交界區的斷面，即分汊比0.90時選擇Z4、Z8斷面，分汊比0.67時選擇Z3、Z7斷面，分汊比0.43時選擇Z2、Z6斷面進行對比分析，左、右兩汊縱向流速分布見圖5、6。

圖5 不同分汊比時左汊縱向流速分布

圖6 不同分汊比時右汊縱向流速分布

對于縱向流速，不同工況下水深的改變對流速的大小有影響，對流速的分布規律沒有顯著變化，各工況下的分布規律是相似的。由圖5、6可以看出，在灘體上游，水流未受到灘體的影響，流速比較穩定，至灘頭處，由于過水斷面開始變窄，流速開始增加，并且增長速率較快，到灘體順直段河寬達到最窄，流速升至最大，在順直段流速并不穩定，并且測點在灘槽交界處，之后河道慢慢放寬，水流流速也開始下降，下降速率較為緩慢，最后趨于穩定。在流速變化方面，大水深下流速小、變化幅度小，水深越小流速越大，變化幅度也越大，在3種工況下，小水深時最大流速差能達到0.3 m/s，而大水深下的最大流速差僅有0.07 m/s，說明淺水下流速沿程變化劇烈，流速的增加幅度受平均流速的限制。灘體位置的變化對順直段的流速變化有影響，體現在變幅上，對其他區域影響較小，右汊流速變化相對于左汊平穩一些。總體上，流速沿程變化規律和灘體的形態有關，灘頭相較于灘尾陡短，反映在流速上則是變化率大，流速對灘體坡降的變化十分敏感。

2.3 不同分汊比下的分流比規律

天然分汊河道計算分流比的方法有多種，何書會[13]曾用推求水面線的方法進行分流比計算，雖然得到的解比較精確，但是推算過程十分繁瑣。目前多是利用數學計算公式進行求解，很多學者都建立了比較適用的公式，但基本是在丁君松等[14]、韓其為等[15]、秦文凱等[16]建立的公式上改進的。結合本試驗測得的數據，進行分流比計算。根據分流比定義，得出左汊分流比ηL為：

(1)

式中：QL、QR為進入左、右汊的流量。在試驗過程中，測得各斷面測點的流速和水位，根據式(1)可以計算得到各汊流量。以測點為標準沿河寬分為若干個流帶，計算每個流帶的面積，在兩邊深槽處，將斷面概化為矩形斷面，在灘面處，將斷面概化為梯形斷面進行計算。通過計算，各工況下計算流量與設計流量誤差在5%以內，說明數據具備可靠性。

本試驗是概化模型試驗，沒有天然河道復雜，故不考慮一些復雜的因子，采用基于曼寧公式得到的分流比計算公式：

(2)

式中：AL、AR分別為左、右汊道斷面過水面積；HL、HR分別為左、右汊道平均水深；nL、nR分別為左、右汊道糙率系數；JL、JR分別為左、右汊道比降。將計算值與實測值進行對比，見圖7。

圖7 實測分流比與計算分流比對比

本試驗中，引起分流比變化的主要因素是分汊比，為了得到分流比明顯的變化，灘體在河道中的相對位置每次間隔30 cm獲取3個分汊比，對應的分流比相差較大，數據反映在圖上則呈現出分段現象。由圖7可以看出，不同分汊比時的分流比不同，從點的分布來看，計算值略大于實測值。其中分汊比0.90的分流比分布比較集中，大多數點都在線上；分汊比0.67的分流比分布比較發散，但多數點分布在線上或線的周圍，偏離程度不是很大，說明計算公式在這兩種情況下適用性較好，灘體越靠近河道中央兩汊流量越穩定；分汊比0.43的分流比分布也比較分散，比分汊比0.67時稍好，但與計算分流比的吻合度不佳，偏離程度很大，最大誤差超過10%，說明計算公式在分汊比較小，即兩汊寬度相差較大時適用性欠佳。文獻[16]指出，若支汊和干流間存在一定的夾角，水流至分流點時會發生彎曲形成環流，進而影響分流比。在本試驗中，雖然干流與支汊同在一矩形河槽，不存在夾角，但由于灘體的存在，水流在分流點處仍會產生夾角，發生偏轉，而在式(2)中沒有考慮這一變量，導致公式在小分汊比下不再適用。

3 結語

1)河道中由于灘體的存在，對水流的影響特別大，主要是水流變得紊亂，流態變得復雜，對地形的演變和航道的維護帶來重大影響。通過試驗發現灘體前后都會存在一個低流速區，兩汊流速具有不對稱性，大部分斷面是寬側流速大于窄側，但在灘體最寬段，窄側流速會大于寬側，主要是受分流比和過水面積的影響；沿程流速受灘體形態影響，與灘體的地形走勢一致，不同分汊比下的流速變化不一致，窄側流速變幅大，寬側流速相比較平緩。

2)不同分汊比下的分流比明顯不同，大分汊比下流速較為穩定，則分流比分布較為集中，小分汊比下流速比較紊亂，則分流比分布較為發散。通過與計算分流比相比，大分汊比下的分流比吻合度較好，小分汊比下有偏離，說明灘體往邊壁靠近，影響分流比的因素越多，需要考慮更多的因素才能得到更加真實的分流比。