李志威，文 杰，陳 幫，魯瀚友，胡旭躍

(1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室 湖北 武漢 430072；2. 長沙理工大學水利與環(huán)境工程學院，湖南 長沙 410114)

頸口裁彎是彎曲河流橫向蜿蜒蠕動至極限彎曲度，在河岸侵蝕或極端洪水作用下觸發(fā)頸口上下游水流貫通的極端地貌過程[1]。黃河源區(qū)若爾蓋盆地的黑河下游是典型的彎曲河流，其某些河灣頸口的寬度遠小于平均河寬，即逼近隨時可發(fā)生頸口裁彎的臨界條件[2]。近10 a對黑河下游彎道的追蹤觀測中，恰逢黑河于2018年7月遭遇45年一遇洪水過程，加速黑河牧場彎道頸口上下游河岸相向侵蝕，致使最窄寬度約6 m的頸口提前發(fā)生較為罕見的自然裁彎事件。此頸口裁彎發(fā)生后，新河道快速展寬下切，原河道進出口則逐漸淤積，這2個過程導致新河道及相鄰下上游河段水流結(jié)構(gòu)發(fā)生強烈調(diào)整。

彎道水流是強三維的螺旋流運動[3]，前人已開展大量規(guī)則彎道的水槽試驗，對于彎道水面超高、流速分布、橫向環(huán)流、邊界切應力等已有較豐碩成果[4- 9]。在野外觀測方面，長江荊江河床試驗站于20世紀六七十年代對下荊江人工裁彎前后開展了較系統(tǒng)的河道水流、泥沙和地形觀測[10]。近期以長江中游石首河段為原型，在實驗水槽中采用多普勒流速儀測量彎道三維流速并分析崩塌體對水流結(jié)構(gòu)的影響[7- 8]，以及采用聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)開展長江與鄱陽湖大型交匯口彎曲河段的水流結(jié)構(gòu)觀測[11]。國外學者利用ADCP觀測了彎曲河道三維水流結(jié)構(gòu)與床面形態(tài)，揭示了斜槽裁彎過程的水流結(jié)構(gòu)調(diào)整及新河道環(huán)流結(jié)構(gòu)發(fā)育過程[12- 14]?？梢?，室內(nèi)實驗和原型觀測有助于科學認識彎道裁彎后水流結(jié)構(gòu)及環(huán)流形成機制。目前彎曲河流自然裁彎模式及裁彎后河道響應已有較清晰認識[1- 2]，但對頸口裁彎后新河道和原河道的水流結(jié)構(gòu)仍缺少原型觀測[15]，使得自然裁彎的水動力調(diào)整機制尚不清晰。對黑河下游Ω型彎道的頸口進行多年跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2018年7月的極端洪水導致原本尚需5 a發(fā)生裁彎事件的頸口提前沖潰，河段坡降由0.04%增大為2.20%。但是，受高原惡劣環(huán)境與試驗條件限制，無法開展連續(xù)時間序列下水流結(jié)構(gòu)觀測。

本文基于ADCP原型觀測技術和Velocity Mapping Toolbox (VMT)后處理軟件[4]，2019年和2020年夏季采用ADCP觀測黃河源黑河下游彎道發(fā)生裁彎后的河道水流結(jié)構(gòu)。通過計算彎道環(huán)流強度及方向，對比分析頸口裁彎對環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響，有助于深入認識自然裁彎后彎道水流結(jié)構(gòu)調(diào)整及對河床沖淤的影響。

1 研究河段與研究方法

1.1 研究河段

黑河是黃河源區(qū)若爾蓋盆地中的主要支流，發(fā)源于四川省若爾蓋縣東南部的岷山，河長約456 km，流域面積約7 608 km2，由東南向西北流經(jīng)紅原縣和若爾蓋縣，最終從瑪曲縣匯入黃河干流(圖1)。黑河下游遍布形態(tài)各異的彎曲河道，其中位于若爾蓋縣城以下約63 km的黑河牧場村附近有一個典型的Ω型彎道，該處河道寬度為55～80 m，在2018年之前已十分逼近頸口裁彎(圖1(a))。根據(jù)2011—2020年跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2013年4月16日頸口寬度約12 m，2018年5月31日采用無人機航測頸口寬度最窄斷面約5.94 m(圖1(a))，根據(jù)河岸侵蝕速率估計，該彎道至少需5 a發(fā)生頸口裁彎。2018年7月11—17日出現(xiàn)45年一遇極端洪水過程(最低日平均洪水流量達到227 m3/s，7月13日16：24達到376 m3/s的洪峰流量)。根據(jù)2019年5月14日實地調(diào)研得知，此次洪水促使該彎道頸口上下游在2018年7月16日前的數(shù)天時間內(nèi)貫通，實現(xiàn)頸口裁彎，坡降由0.04%變?yōu)?.20%，增大5.5倍。裁彎后老河道進口淤積，新老河道分流比為100∶1.4。汛期后黑河牧場村為了維持原Ω型河灣內(nèi)側(cè)放牧交通，保持河流原來自然彎曲河道的流路，向阿壩州和若爾蓋縣水利局申請防洪搶險項目。2019年4月，黑河牧場村在頸口上游修筑土壩，阻擋新河道的裁彎水流，迫使水流沿原河道流動，但是2019年汛期人工堤防發(fā)生潰決(圖1(b))。2019年汛期后在頸口上游繼續(xù)修筑卵礫石的堆石堤壩，并于當年10月竣工(圖1(c))，原裁彎新河道被阻擋，水流再次回歸原河道。

圖1 黑河下游頸口裁彎與野外觀測無人機航測影像及斷面布置Fig.1 Formation and field survey of a neck cutoff in the Lower Black River

1.2 野外觀測

2018年5月，在黑河下游使用大疆無人機航測頸口河道。2019年5月14日(平均流量42.4 m3/s)和2020年8月3日(日流量110 m3/s)，在黑河下游使用大疆無人機航測頸口河道，采用ADCP實測河道水流結(jié)構(gòu)。對水流結(jié)構(gòu)進行原型觀測時，利用TRDI的軟件包River Surveyor Live進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)流的集成。2019年ADCP尚未配備差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)，所以采用中海達GPS- RTK對實測斷面進行打點定位。

測量斷面的布置盡量保證裁彎河道和完整彎道全覆蓋，但裁彎后受測量環(huán)境和儀器設備限制，無法在老河道布置斷面。在2019年水流觀測基礎上，2020年斷面布置間隔更大、范圍更廣(2019年測量間距12 m，2020年測量間距50 m)，以分析進入彎道前和整個彎道的水流結(jié)構(gòu)。根據(jù)裁彎后現(xiàn)場情況和測量實施的可行性，2019年和2020年分別施測了31個和14個斷面的水流數(shù)據(jù)，見圖1(b)和圖1(c)。本研究采用SonTek Hydroboard Ⅱ單體船搭載ADCP，并借助繩子在研究河段人工拉船，對裁彎河段進行斷面水流數(shù)據(jù)采集(圖2)。在River Surveyor Live軟件中設置好參數(shù)后，ADCP開始走航，拉動小船勻速測量，獲取水流和河床輪廓數(shù)據(jù)；每個測量斷面往返均勻地進行2次測量，盡量消除隨機誤差與數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳(風力、水流等因素影響導致單體船離開水面，斷面數(shù)據(jù)不全)的影響。

圖2 采用ADCP測量河道水流Fig.2 Conducted field measurements using ADCP

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

斷面水流數(shù)據(jù)采集完成，采用River Surveyor Live軟件進行預處理，以SonTek MAT文件輸出，以便在Velocity Mapping Toolbox(VMT)中后處理[4]。預處理主要包括單個樣本和一般數(shù)據(jù)的檢查，進行GPS- GGA ENU坐標與底跟蹤ENU坐標的對比，斷面測量走航軌跡的平順度分析，確定單斷面分析或是多斷面空間平均分析，為數(shù)據(jù)可視化分析做準備。對缺乏GPS數(shù)據(jù)的2019年實測數(shù)據(jù)，采用RTK、Google Earth和MATLAB 2015b插值獲取位置信息。由于手動測量造成的位置偏差，所得剖面流場圖與實測相比，將產(chǎn)生10%～35%不同程度的整體壓縮、變形或偏移。2019年D2斷面文件損壞(存儲系統(tǒng)故障，無法找回)，無法進行后處理，因此處理結(jié)果缺少D2斷面數(shù)據(jù)(圖1(b))。

根據(jù)在River Surveyor Live軟件中對原始文件的預處理情況，利用VMT選擇單個樣線處理或多樣線平均。將預處理后的數(shù)據(jù)導入基于MATLAB 2015b的VMT軟件包，進一步處理、可視化和分析ADCP收集的數(shù)據(jù)，生成河道橫截面處的三維速度場(主流和二次流流速均采用軟件內(nèi)置的Rozovskii方法計算[4])。利用VMT能可視化深度平均流速，深度平均(指垂直水面方向上對縱向、橫向、垂向流速矢量和進行平均)流速計算采用以下公式[4]：

(1)

式中：Vla為深度或?qū)悠骄俣?；Vb為速度的北或東分量(獨立地平均)；d1和d2分別為平均深度范圍的下限和上限。本研究通過設定垂直深度的平均范圍(本研究默認水面以下0 m至河床)，進行流速的深度平均計算，可視化生成平面流場圖。為分析環(huán)流結(jié)構(gòu)，引入環(huán)流強(旋)度計算公式和環(huán)流強(旋)度變幅計算公式。環(huán)流旋度采用以下公式計算：

(2)

式中：Rij為測量斷面內(nèi)任意位置的環(huán)流旋度；Vij為橫向分速度(左岸為正)；Uij為縱向分流速(向下游為正)；i和j分別為第i行和第j列(對應剖面流場圖中柵格數(shù)據(jù)節(jié)點位置，如圖3所示)。

以環(huán)流旋度表征環(huán)流強度，采用以下公式衡量環(huán)流強度：

(3)

式中：I為環(huán)流強度；m和n為測量斷面內(nèi)的行列數(shù)目，不同斷面具體數(shù)值不同。

圖3 剖面流場圖的刪格數(shù)據(jù)節(jié)點Fig.3 Grid data nodes of profile flow field date

采用環(huán)流強度變幅描述環(huán)流結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性(環(huán)流強度在水流方向上和斷面方向上大小的均勻分布程度)，定義如下公式計算：

(4)

式中：A為環(huán)流強度變幅；x1、x2代表不同位置，即平面尺度上不同的斷面位置或斷面內(nèi)不同的橫向和垂向區(qū)域。

1.4 測量誤差分析

本研究采用的ADCP配備了9個波束系統(tǒng)，包括2組、每組4個測量流速剖面的波束(每組的工作頻率不同)和1個測量水深的垂直波束。儀器有自動調(diào)節(jié)多種工作頻率和采樣單元自動調(diào)整的功能，無論水深和流速如何變化，系統(tǒng)總能處于最佳的設置狀態(tài)，無需人為調(diào)節(jié)。由于ADCP數(shù)據(jù)采集是一個動態(tài)過程，因此除儀器本身及環(huán)境因素外，還涉及測量、盲區(qū)、儀器安裝操作、測深、方位角測定等帶來的誤差。

(1) 環(huán)境誤差。水中的鹽度對超聲波在水中傳播速度的影響，由于淡水含鹽量在0.01‰～0.05‰之間，鹽度的影響忽略不計。水溫會影響聲波的傳播速度，設備內(nèi)置的溫度傳感器，可以自動補償水溫對測量的影響，保證誤差在2 ℃以內(nèi)。因測量時環(huán)境溫度變化小，水溫影響可忽略。

(2) 測量誤差。實際測量時，測量開始與結(jié)束位置換能器距左右岸距離的估測具有誤差，估測值與實際值相差0.5 m以內(nèi)，距現(xiàn)場實測河寬估計，其相對實際值的誤差在1%～3.5%。

(3) 操作誤差。不同研究區(qū)域磁偏角存在差異，而羅盤校正可以使設備參數(shù)代表實際情況及補償儀器周圍磁場對系統(tǒng)的干擾。羅盤校正時，晃動縱搖和橫搖幅度小于測量實際晃動的幅度時，會產(chǎn)生明顯的艏向誤差，相反情況下也會產(chǎn)生艏向誤差。因此，羅盤校正時應盡可能使晃動幅度與實際幅度相同，并且晃動縱搖和橫搖應該比較緩慢。本研究野外實驗的磁場誤差在測量系統(tǒng)保證下控制在3.5%以內(nèi)。

(4) 盲區(qū)誤差。由于儀器探頭安裝于水面之下，靠近河底的最后測量單元會受到“損傷”，或者測量剖面的最后剖面會受到波束的旁瓣干擾，使得靠近水面和河底的一部分面積無法測量。本研究ADCP換能器探頭聲束與儀器軸線夾角為50°，底部旁瓣干擾區(qū)為水深的20%。由于VMT不會通過將速度數(shù)據(jù)外推到床層或地表來估算這些未測量區(qū)域中的速度。因此，VMT中的平均深度僅在測得垂直范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)執(zhí)行。

本研究野外測量嚴格按照操作手冊進行試驗，將所有誤差控制在標準以下，所測數(shù)據(jù)能有效描述天然河流水流結(jié)構(gòu)特性。

2 結(jié)果分析

2.1 深度平均流速分析

圖4中的邊界線代表無人機影像中提取的河岸線大體位置，矢量箭頭代表水面以下水體的深度平均流速。根據(jù)裁彎河段的深度平均流速平面圖，可大致確定裁彎后3個主要水流特征：① 裁彎后，新河道水流結(jié)構(gòu)顯著變化，與完整彎道的凹岸相比，在右岸(侵蝕側(cè))不同部位產(chǎn)生規(guī)模不同，但分布范圍相同的水流分離區(qū)(回流)；② 彎道上游順直河段水流流路相似，但裁彎彎道水動力軸線向凹岸偏移0.2B(B為河寬)的距離；③ 裁彎后新河道入口右側(cè)仍存在侵蝕作用。

圖4 裁彎后彎道深度平均流速矢量平面圖Fig.4 Depth averaged velocity vector of the meander bend after cutoff occurred

頸口裁彎對裁彎彎道水流結(jié)構(gòu)的影響強烈。彎道完整時，由于彎曲度大(大于1.5)和特有的邊界，水流頂沖彎頂后在彎頂侵蝕側(cè)形成小型回流(圖4(b))。相反，2019年研究河段彎道頸口位置已發(fā)生裁彎，且修筑土壩發(fā)生潰決，故觀測期間在彎道頂點處并無水流分離區(qū)。但是，水流經(jīng)過D21后，由于邊界條件的劇烈改變，水流受橫向壓力和剪切作用，在靠近新河道入口的右岸產(chǎn)生了水流分離區(qū)(圖4(a)標記處)，形成規(guī)模明顯增大的回流。這2類情況下水流分離區(qū)產(chǎn)生的位置和規(guī)模雖有不同，但水流分離區(qū)的分布方位和范圍相近，均在靠近右岸0.3倍河寬范圍內(nèi)(圖4)。

頸口裁彎后，頸口(D21)河寬逐漸加寬到D20的1/2，上游來水匯集，流速顯著增大，深度平均流速上升到49.2 cm/s。但是，由于原河道部分分流，D21左岸流速明顯低于右岸，最大流速差接近40.0 cm/s，流向偏右(圖4(a))，這說明此時新河道的缺口尚未穩(wěn)定，水流對缺口右岸還有侵蝕作用。水流進入新河道，流速分布紊亂，深度平均流速斷面平均值與最大值之差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在D23附近達到32.6 cm/s的最大差值，其大小與完整彎道彎頂處的30.7 cm/s相近(圖5)。

圖5 河道深度平均流速沿程變化Fig.5 Change in depth averaged velocity along the course

2020年S6—S9河段是與2019年D1—D20相對應的順直河段，該河段在2019和2020年野外觀測時水動力軸線沿程分布相似，并且在彎頂時均靠近凸岸。頸口裁彎后(2019年5月14日)，河道形態(tài)和邊界條件改變，高流速區(qū)較彎道完整時(2020年8月3日)向右偏移0.2B。

從水動力軸線角度分析，2019年時水流較均勻地從D1斷面流入，隨后水動力軸線在一段距離內(nèi)偏向右岸擺動。從D16附近開始，水流左移，逐漸擴散至D20均勻進入彎道，流向原河道頂沖的裁彎口，全程深度平均流速平均值為54.0 cm/s。2020年修筑堆石壩后，相同河段上游一段距離內(nèi)主流線靠兩岸分布。S4—S6斷面，由于河道束窄，水流匯流，水動力軸線集中，S6斷面深度平均流速由S5的66.0 cm/s增加至70.4 cm/s。進入相同順直河段(S6—S9河段)，高流速區(qū)與2019年相似，逐漸從右往左偏移，并在過渡段開始發(fā)散。

由于流量、水位不同，觀測期間流速數(shù)值存在差異，但其平面分布卻相對穩(wěn)定。例如在共有的順直河段，深度平均流速斷面平均值與最大值之差維持約12.0 cm/s。2019年和2020年深度平均流速斷面方向上的離散度(即標準差)分別為深度平均流速平均值的17.4%、16.5%，沿河道縱向上分別為4.3%、5.4%。因此，頸口裁彎對彎道上游順直河段的流速分布影響較小。

2.2 剖面流速與環(huán)流分析

2.2.1 縱向流速與剖面環(huán)流

(1) 縱向流速分布

黑河下游縱向流速的分布與彎道形態(tài)(平面形態(tài)和剖面形態(tài))密切相關，高流速區(qū)的分布與深槽位置具有良好一致性。在彎頂段，最大水深與最大流速沒有緊靠凹岸，反而偏向凸岸(圖6中D20和圖7中S10)。裁彎后，彎頂?shù)淖畲罅魉佥^完整彎道離凹岸更近；彎頂處與平均縱向流速相等的等效流速位于水面以下0.4倍水深處。

選取研究河段進出口、彎道段和新河道進出口段的典型斷面(圖6)對2019年剖面流場進行分析。可以發(fā)現(xiàn)，水流從D1進入研究區(qū)域，主流區(qū)偏向右岸；靠近彎道后，主流區(qū)逐漸向左岸偏移；彎頂位置，主流區(qū)靠近左岸。根據(jù)圖6中D3、D18和D20的剖面流場圖(彩色云圖代表主流流速，矢量箭頭代表二次流速度矢量)，D1—D20河段深泓線隨最大縱向流速移動，水下地形由偏向右岸的斜“V”字形變?yōu)闇\“U”字形。雖然高流速區(qū)的分布與水下深槽具有良好一致性，但新河道(D21—D31斷面)受水流分離區(qū)與裁彎突出物影響，高流速區(qū)向深槽左側(cè)產(chǎn)生0.15B的偏移。彎頂段(D20)，與平均流速(52.9 cm/s)等效的流速大致在水面以下0.4倍水深處。而頸口河段(D20、D21)受新河道過流和牛軛湖進口淤積的影響，最大流速出現(xiàn)在水面下0.1～0.15倍水深范圍。水流進入新河道后，受水流分離區(qū)影響，縱向流速(圖6中的紅色虛線區(qū))具有很大橫向梯度，平均梯度高達15.3 cm/(s?m)。

圖6 2019年7個典型剖面的主流和二次流流速分布Fig.6 Velocity of main and secondary flow for seven typical sections in 2019

圖7 2020年6個典型剖面的主流和二次流流速圖Fig.7 Velocity of main and secondary flow for six typical sections in 2020

2020年筑壩后，S6至S9河段與2019年D1至D20斷面為同一順直河段，S6斷面以前，河床呈“W”字形，河床發(fā)育水下沙洲，高流速區(qū)傍深槽而行，緊靠右岸，這主要與上游橋墩擾流影響，橋墩下游形成一對反向螺旋流(圖7中S1)有關。進入相同順直河段，高流速區(qū)逐漸由右岸向左岸移動，具有與2019年相同的流速分布。彎頂河段(S10)，凹岸出現(xiàn)水流分離區(qū)，縱向流速在分離區(qū)的平均梯度達到13.3 cm/(s·m)，高流速區(qū)仍然靠近凸岸。此外，彎頂處與平均流速(58.9 cm/s)等效的縱向流速大致在水面以下0.4倍水深處(與2019年的分布位置相同)。較二維明渠均勻流水面以下0.6倍水深處的等效流速位置而言，復雜的水流環(huán)境、邊界組成和斷面形態(tài)是平均流速等效位置改變的主要原因。

根據(jù)圖6和圖7提取彎道附近的主流流速作圖8所示，流速的總體分布為兩邊小、中間大。不論是裁彎后筑壩前或是筑壩后，進入彎道后最大流速都是靠近凸岸側(cè)，其中2020年彎頂?shù)淖畲罅魉俜植荚诳拷俜e側(cè)0.2～0.3B范圍內(nèi)。但是，頸口裁彎后的河道最大縱向流速相比完整彎道向凹岸側(cè)遷移0.2B的距離。這是由于縱向流速的橫向分布受河道形態(tài)、比降、流量等因素影響，研究河段的特殊水力因素及彎頂水流分離區(qū)造成了這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。此外，進入彎頂前縱向流速的橫向分布較彎頂處更為均勻(圖8中方框黑線)。

圖8 典型剖面縱向流速的橫向分布Fig.8 Transverse distribution of longitudinal velocity in typical sections

(2) 剖面環(huán)流結(jié)構(gòu)分析

由于通常情況下環(huán)流強度與水深成正比，因此接近河床處的環(huán)流強度與旋度均大于水面處(最大可達5倍以上)，橫向環(huán)流對底部泥沙的搬運十分重要。例如在D3斷面中，在距左岸15～25 m范圍內(nèi)的水流分布上層和下層2個大型環(huán)流結(jié)構(gòu)，下層環(huán)流沿河床向左岸發(fā)展，這影響著D3斷面的水下地形。D20斷面中，斜向上指向凸岸的二次流平均流速達到10 cm/s，對彎頂?shù)撞磕嗌车臋M向搬運起到重要作用，這對牛軛湖進口淤積的影響不可忽視。此外，2020年S1斷面的“W”字形斷面也能解釋環(huán)流作用。

環(huán)流主要受河道形態(tài)、床面條件、邊界條件、坡降、流量等因素影響，其中很多次生環(huán)流受河床邊界的影響，具有個體偶然性。因此可以發(fā)現(xiàn)，由于邊界形態(tài)的差別，2019和2020年相同順直河段的典型斷面出現(xiàn)了位置、大小存有差異的次生環(huán)流。另外，完整彎道時，彎頂分離區(qū)兩側(cè)產(chǎn)生2個成對反向次生環(huán)流(S10)；彎道裁彎后(2019年)，次生環(huán)流消失，發(fā)展為單一的順時針環(huán)流結(jié)構(gòu)均可解釋。

可以發(fā)現(xiàn)，完整彎道與裁彎彎道彎頂斷面(S10和D20斷面)的主環(huán)流結(jié)構(gòu)的方向均為順直針方向。不同的是，裁彎彎道彎頂斷面下層水體的環(huán)流分布在水面以下0.15～1.0倍水深范圍內(nèi)，而完整彎道彎頂斷面下層水體的環(huán)流分布在水面以下0.4～1.0倍水深范圍內(nèi)。這是因為裁彎后新河道入口(D21)河道束窄，右岸水面壅高增大，壓力差增大，使得在0.4相對水深以上(大于平均流速)水體所產(chǎn)生的慣性力(離心力)也不足以抵消左右岸壓差，進而下層環(huán)流的分布范圍擴大。

頸口裁彎后發(fā)生后，頸口河道過流能力不足，水流沖刷作用下河床不斷加深形成窄深型河道。受新河道分流、老河道淤積及水流離心力的影響，下層水體轉(zhuǎn)向，并產(chǎn)生指向右岸的二次流，窄深的河床邊壁作為迎水面，促使新河道入口(D21)出現(xiàn)連續(xù)螺旋流(上下反向二次流)。該斷面最下層二次流的整體方向指向深泓處，環(huán)流最大值接近10 cm/s，但最上層存在指向左岸的環(huán)流，均值達到5 cm/s。水流進入新河道后，在邊壁和水流分離區(qū)的影響下，環(huán)流結(jié)構(gòu)復雜紊亂，出現(xiàn)至少3個可識別的環(huán)流結(jié)構(gòu)。新河道內(nèi)典型斷面深泓位置出現(xiàn)的垂向二次環(huán)流，可促使主流沖刷的泥沙起動后，由垂向渦流懸浮泥沙并隨主流向下游輸運。因此，新河道入口河段的河床沖刷下切，在河道中間出現(xiàn)沖刷深坑(D21、D22和D26斷面所示)。

結(jié)合圖6中D22、D26斷面和圖7中S10斷面可知，這3個典型斷面水流分離區(qū)(紅色虛線標注右側(cè))的河床出現(xiàn)了“由陡至平”和河床邊界抬高的現(xiàn)象，這是因為橫向環(huán)流占據(jù)了對河床沖淤的主導作用，橫向淘刷與回流淤積導致的河床淤高，頂部平坦。圖6中的D31斷面和圖7中S1斷面水下沙洲兩側(cè)也分布成對反向的環(huán)流結(jié)構(gòu)，由此推測，成對反向二次流帶動河床泥沙橫向移動，當兩者相遇時，流速相互抵消，泥沙淤積導致河床抬高。根據(jù)2020年8月3日現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，彎頂分離區(qū)右側(cè)出現(xiàn)點邊灘，此時水流平均流量約為2019年觀測時的2倍，平均流速比2019年大10 cm/s，彎頂河道寬度比2019年寬10 m。因此，若在裁彎頸口不修筑堆石壩，受水流分離區(qū)及成對螺旋流影響，新河道內(nèi)水流分離區(qū)附近將發(fā)展點邊灘。

2.2.2 環(huán)流旋度與環(huán)流強度

(1) 環(huán)流旋度

圖9展示環(huán)流旋度的沿程分布情況(彎頂上游為正)。裁彎后(2019年5月)，新河道尚未穩(wěn)定，裁彎口邊界條件突變，殘存的突出物使裁彎口下游水流產(chǎn)生分離區(qū)，形成大型回流和湍流結(jié)構(gòu)，造成環(huán)流旋度的急劇突變，大部分斷面最大環(huán)流旋度超過1.0。在2019年沖潰缺口斷面D21處，環(huán)流旋度由R=0.297下降至R=0.119，下降變幅A=2.5。新河道內(nèi)，最大環(huán)流旋度呈先波動增長后波動減小的趨勢，最大環(huán)流旋度(Rmax=5.644)最大值出現(xiàn)在D27處，最大環(huán)流旋度最小值為0.108出現(xiàn)在D30處，變幅A=52.3。相反，彎道上游河道順直且邊界穩(wěn)定，所以水流結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、整體性較好，環(huán)流旋度變幅更小，A=6.0(D1—D20斷面最大環(huán)流旋度極值之比)。

圖9 2019和2020年最大環(huán)流旋度沿程變化Fig.9 Variation of the maximum secondary flow strength along the course

彎道完整時(2020年8月)，環(huán)流旋度沿程變化單一，從入口過渡段到彎頂再到出口過渡段，隨彎曲度呈正相關趨勢，在彎頂達到最大值，隨后沿程減弱。受到彎頂環(huán)流影響，彎頂下游環(huán)流旋度和縱向變幅比上游稍大。由于水流的頂沖作用，彎頂產(chǎn)生水流分離區(qū)，S10斷面的最大環(huán)流旋度達到最大值Rmax=10.708，S9—S10斷面的變幅A=32.7，而上游順直段最大變幅A=5.3。彎頂上游過渡段的最大環(huán)流旋度平均值Rmax=0.21，變幅A=3.9；下游過渡段Rmax=0.38，A=4.2。

環(huán)流旋度縱向分布受平面形態(tài)與邊界條件影響較大，頸口裁彎發(fā)生后，彎頂上游過渡段變幅增加2.6%，順直河段變幅增加13.2%，彎頂及下游變幅增加60.0%。因此，彎道頸口裁彎對彎頂上游過渡段和順直河段環(huán)流旋度的縱向分布影響較小，但對彎頂環(huán)流結(jié)構(gòu)影響強烈。

(2) 環(huán)流強度

斷面寬深比(B/H)是河道形態(tài)在斷面方向上的指標，其影響環(huán)流強度的空間分布，黑河下游研究河段寬深比大于30時，環(huán)流結(jié)構(gòu)在空間上(水流方向與橫向)均勻分布，因此選取X、Y區(qū)域量化分析。圖10表明河道寬深比與環(huán)流強度空間分布均勻性的變化趨勢相反，寬深比大于30時，環(huán)流強度縱向分布與橫向分布更加均勻，數(shù)值變化較小。以典型河段為例，X區(qū)域平均環(huán)流強度I=0.020，Y區(qū)域I=0.024。X區(qū)域環(huán)流強度橫向變幅(D1—D8斷面距左岸0.3B、距右岸0.3B斷面中間環(huán)流強度極值之比的均值)A=2.34，Y區(qū)域變幅A=2.45，Y區(qū)域比X區(qū)域高4.7%，且2個區(qū)域內(nèi)環(huán)流強度的橫向變化值均為0.3I。

圖10 環(huán)流強度與寬深比的沿程變化Fig.10 Variation of mean secondary flow intensity and width to depth ratio along the course

彎頂上游河段(2019年D1—D20斷面、2020年S1—S9斷面)，2020年平均環(huán)流強度為I=0.030，較2019年小14.3%，斷面中間環(huán)流強度與橫斷面環(huán)流強度一致性較好。其中2019年中間環(huán)流強度與橫斷面環(huán)流強度的標準差為0.002，占平均環(huán)流強度的6.5%，2020年標準差為0.003，占平均環(huán)流強度的9.9%。但是，靠近左右兩岸0.3B內(nèi)的環(huán)流強度大小與斷面環(huán)流強度相差較大。圖10(a)中D1—D20河段左右兩岸0.3B范圍內(nèi)的環(huán)流強度大小與斷面環(huán)流強度的平均標準差為0.012，圖10(b)中S1—S9河段平均標準差為0.012，2019年標準差占平均環(huán)流強度的32.4%，2020年標準差占平均環(huán)流強度的36.4%。

2019年，彎頂?shù)沫h(huán)流強度明顯小于完整彎道的環(huán)流強度，新河道入口斷面(D21)環(huán)流強度環(huán)流分布趨于均勻，橫向變幅A=1.48。相反地，分離區(qū)環(huán)流強度分布紊亂，橫向變幅在D25處最大(A=18.2)。由于新河道右側(cè)分離區(qū)的原因，靠近右岸環(huán)流強度更大，而河道左側(cè)環(huán)流強度在靠近新河道出口位置上升大最大值I=0.462，此時左岸強度大于右岸，結(jié)合邊界地形，這可能與左岸凹陷處有關(圖4)。彎道完整時(2020年)，彎頂凹岸環(huán)流強度增加明顯，距右岸0.3B內(nèi)增加至I=0.317，而距左岸0.7B內(nèi)環(huán)流強度的增大具有滯后性，到S12處才達到最大值，凹岸環(huán)流強度始終大于凸岸強度，彎頂環(huán)流強度橫向變幅A=9.9。

因此，環(huán)流強度主要受河道形態(tài)、流量、邊界條件、床面阻力等因素影響。縱向邊界越平順，環(huán)流強度相對更弱，其受裁彎影響也更小；河道彎曲半徑越大，環(huán)流結(jié)構(gòu)發(fā)展越充分。黑河牧場彎曲河段寬深比大于30的相對寬淺型河道，環(huán)流強度在空間上分布更均勻。近岸環(huán)流強度受邊壁影響較大，橫斷面中間環(huán)流強度與斷面平均環(huán)流強度一致性較好，因此，2019年與2020年彎道上游順直河段環(huán)流結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。另外，裁彎后水流分離區(qū)遷移至新河道，環(huán)流結(jié)構(gòu)更加紊亂，環(huán)流強度橫向變幅相比完整彎道彎頂處增加83.8%。

3 結(jié) 論

通過2011—2020年連續(xù)野外考察與觀測黃河源彎曲河流，本研究于2018年7月捕捉到黃河源黑河下游彎曲河道頸口裁彎的極端地貌事件，并在裁彎后2019和2020年夏季實施2次ADCP河道水流結(jié)構(gòu)觀測，分析主流流速分布及斷面環(huán)流旋度和環(huán)流強度，得到如下主要結(jié)論：

(1) 河段平面上，深度平均流速具有相似的分布特性，受裁彎影響較小。高流速區(qū)從彎道入口過渡段開始逐漸向左岸(凸岸)偏移，在彎頂段靠凸岸分布。彎道完整時，彎頂凹岸側(cè)形成水流分離區(qū)；裁彎后，水流分離區(qū)遷移至新河道侵蝕側(cè)，但仍分布在靠近岸邊0.3倍河寬范圍內(nèi)。分離區(qū)橫向環(huán)流占據(jù)對河床沖淤的主導作用。

(2) 彎頂剖面上，分布有順時針方向的環(huán)流結(jié)構(gòu)和靠近凸岸的最大縱向流速。裁彎后，受斷面形態(tài)、邊壁條件和坡降的影響，最大流速向凹岸移動0.2倍河寬。受裁彎后原河道進口河床淤積抬高和新河道過流影響，垂線方向的最大流速與斷面等效流速的分布位置調(diào)整，水體下層指向凸岸的橫向環(huán)流分布范圍擴大0.25倍水深，加速牛軛湖進口淤積。

(3) 環(huán)流受河道斷面形態(tài)、平面形態(tài)、邊界條件和人工筑壩等因素影響，縱向邊界越平順，環(huán)流結(jié)構(gòu)相對更弱。順直河段的環(huán)流強度的空間分布受裁彎影響較小。本河段寬深比大于30的相對寬淺型河道，環(huán)流結(jié)構(gòu)在時間和空間上均更穩(wěn)定。

本研究為采用ADCP原型觀測自然裁彎后的彎道水流結(jié)構(gòu)提供了新思路。然而，本研究不足之處在于高原工作難度大、缺少船舶搭載和受惡劣天氣影響，導致未能獲取連續(xù)時間序列下的水流數(shù)據(jù)和沿程測量整個彎道全部斷面，這是下一步研究亟待解決的技術問題。